Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM
Politik, Wirtschaft und Gesellschaft setzen große Hoffnungen auf Wasserstoff als Energieträger der Zukunft. Die gesellschaftliche Akzeptanz der Wasserstoff-Technologie ist mit entscheidend für den Erfolg der »Nationalen Wasserstoffstrategie« (NWS), die der Bund 2020 ins Leben gerufen hat. Dabei spielt die Sicherheit der Wasserstoff-Infrastruktur eine herausragende Rolle. Sämtliche Prozessschritte – von der Erzeugung über die Speicherung und Verteilung bis zur Umwandlung von Wasserstoff – müssen sicher sein. Allerdings ist das bei Wasserstoff (H2) nicht trivial: H2 ist an der Luft bereits in geringen Konzentrationen (ab 4 Vol.-%) zündfähig, in höheren Konzentrationen sogar explosiv (ab 18 Vol.-%). Zuverlässig und sensitiv messende H2-Sensoren sind daher wichtige Komponenten von Sicherheits- und Warnsystemen zur Überwachung der Wasserstoff-Infrastruktur.
Stationäre und mobile Wasserstoff-Sensoren für einen sicheren Betrieb
Für einen sicheren Betrieb von Leitungen, Wasserstoffspeichern oder Anschlussstellen (zur Befüllung und Entnahme) sind stationäre oder mobile Sensoren notwendig, die kritische Stellen permanent oder gezielt überwachen. Die Sensorik muss in der Lage sein, aufgrund von Leckagen austretendes H2 sowie auch das Transportgas Ammoniak (NH3) zu detektieren und gleichzeitig absolute Konzentrationen in rauen Umgebungen über eine lange Zeit und mit sehr hoher Zuverlässigkeit zu ermitteln.
Ebenso muss die Gasqualität des Wasserstoffs überwacht werden, indem unabsichtlich oder absichtlich im Wasserstoff vorhandene zusätzliche Gaskomponenten zuverlässig bestimmt werden. Wir konzeptionieren, entwickeln und evaluieren Gassensoren zur Reinheitsbestimmung von Wasserstoff in enger Kooperation mit unseren Projektpartnern. Auf Basis der Erkenntnisse entwickeln wir skalierbare Lösungen für die Wasserstoff-Messtechnik.
Sicherheitsnormen und Preis entscheiden über Marktfähigkeit von H2-Sensoren
Es gibt eine Reihe messtechnischer Ansätze für den Nachweis und die Bestimmung der Konzentration von H2 in mobilen und stationären Anwendungen. Viele Konzepte scheitern jedoch bisher an der praktischen, industriellen Implementierung. Für die Zulassung ist in der Regel die Erfüllung der Norm ISO 26262 und der »Safety Integrity Level«-Norm (SIL) erforderlich. Marktfähige Sensoren müssen diese hohen Anforderungen erfüllen und gleichzeitig kostengünstig in der Herstellung sein.
Am Fraunhofer IPM erproben und modifizieren wir u. a. verschiedene Messprinzipien für MEMS-basierte Sensoren und Spektrometer zur Wasserstoffdetektion. Dazu gehören Wärmeleitfähigkeitsmessungen und Lundström FETs (Feldeffekt-Transistoren), die H2-Konzentrationen in der Umgebung detektieren. Ein weiterer Ansatz sind kolorimetrische Sensoren, die Rückschlüsse auf die Versprödung von Materialien, z. B. an H2-Tanks und H2-Leitungen, ermöglichen.