Fraunhofer IPM erarbeitet Sensorkonzepten für die Sicherheit von Wasserstoff-Technologien

Messtechnik ist eine unabdingbare Voraussetzung für die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger. Für den sicheren Betrieb einer Wasserstoff-Infrastruktur sind Sensoren nötig, die Leckagen an Speichern, Leitungen oder Anschlussstellen sicher erkennen.

Wasserstoff eignet sich besonders gut zur chemischen Speicherung von Energie. »Grüner Wasserstoff«, hergestellt mithilfe von Strom aus erneuerbaren Energiequellen, gilt daher als wichtiger Baustein für die Energiewende. Wasserserstoff birgt jedoch auch Risiken: Er ist bereits in sehr geringen Konzentrationen entzündlich, bei höheren Konzentrationen sogar explosiv. Eine zukünftige Wasserstoff Infrastruktur muss daher kontinuierlich messtechnisch überwacht werden, um auch kleinste Leckagen von H₂ sowie des Transportgases Ammoniak (NH₃) sofort aufzuspüren. Heute verfügbare Wasserstoff-Sensoren scheitern dabei an den hohen Anforderungen an Messgenauigkeit, Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit. Im Projekt TransHyDE entwickeln und testen Forschende von Fraunhofer IPM in enger Kooperation mit den Messtechnik-Spezialisten von Endress + Hauser sowie RMA Rheinau innovative messtechnische Ansätze zur Leckage-Detektion, zur Messung der H₂-Gasqualität und zur Analyse von Fremdgasen in Wasserstoff-Gasgemischen.

Preiswerte Detektoren

Ein selbsttestfähiger und wartungsarmer Sensor soll zukünftig große Anlagen dauerhaft überwachen. Der kompakte Sensor wird Wasserstoff auf Basis der spezifischen Schallgeschwindigkeit und der im Vergleich zu anderen Gasen hohen Wärmeleitfähigkeit detektieren. Durch die Kombination zweier Messprinzipien ist der Sensor für die Anforderungen an die funktionale Sicherheit ausgelegt. Ein kompaktes, kostengünstigen optisches Messsystem soll Wasserstoff auf Basis der Raman-Streuung kontinuierlich detektieren. Anstelle eines mit hohen Kosten verbundenen Spektrometers ist zur Auswertung des Raman-gestreuten Lichts ein preiswerter Detektor vorgesehen.

Laserspektroskopie und Infrarotbildaufnahmen sollen H₃-Leckagen aus einigen Metern Entfernungen detektieren. Für die berührungslose, bildgebende Ferndetektion wird ein Demonstrator aufgebaut und getestet. Kolorimetrische Sensoren könnten zudem zukünftig die naturgemäß unsichtbaren Gase H₂ oder NH₃ sichtbar machen. Ein spezieller Anstrich, aufgebracht auf Leitungen oder Armaturen, ändert die Farbe beim Kontakt mit dem Gas. Ein solcher Farbumschlagssensor ist insbesondere bei Bau- und Installationsarbeiten hilfreich.

Höhere Reinheit für Brennstoffzellen und Transport

Die Reinheit von Wasserstoff spielt eine zentrale Rolle zum Beispiel für den Betrieb von Brennstoffzellen. Hier können bereits geringe Konzentrationen von Fremdgasen die Betriebsdauer reduzieren oder einen Totalausfall verursachen. Im Rahmen des Projekts entsteht in Kooperation mit Endress+Hauser ein photoakustisches Sensorsystem zur kontinuierlichen Bestimmung der Spurengase in Wasserstoff.

Soll das bestehende Erdgasnetz für den Transport von Wasserstoff genutzt werden, muss es möglich sein, die Zusammensetzung von Erdgasgemischen mit hohem H₂-Gehalt genau zu bestimmen. Schließlich entscheidet der Anteil von »grün« erzeugtem Wasserstoff im Erdgas über den Brennwert und damit über die tatsächlichen Energiekosten für die Verbraucher. Zur Bestimmung der Erdgaszusammensetzung und des H₂-Anteils rüstet Fraunhofer IPM mit den Partnern RMA Rheinau, Thüga und Energie Südbayern einen Erdgasanalysator mit einem H₂– Wärmeleitfähigkeitssensor aus, um eine möglichst genaue und driftfreie Bestimmung der Gaszusammensetzung zu erreichen.

Zudem beschäftigt sich das Konsortium mit der Konzeptionierung von Werkstoffen und Bauteilen für den direkten Kontakt mit H₂-Gas. Die Forschungspartner untersuchen die Eignung der Materialien und Komponenten für den Einsatz in einer realen H₂-Infrastruktur.