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. Wasserstoff 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.

Kleines Leck, hohes Risiko: H₂-Sensoren müssen sensitiv und zuverlässig messen

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 es ermöglichen, NH₃-Leckagen aus einigen Metern Entfernungen zu detektieren. Für die berührungslose, bildgebende Ferndetektion wird ein Demonstrator aufgebaut und getestet.

Dank kolorimetrischer Sensoren soll es zudem zukünftig möglich werden, die naturgemäß unsichtbaren Gase H₂ oder NH₃ mit dem bloßen Auge zu erkennen: 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.

Reinheit bestimmen: Brennstoffzellen benötigen H₂ ohne Fremdgase

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 enger Kooperation mit Endress+Hauser ein kompaktes und robustes photoakustisches Sensorsystem zur kontinuierlichen Bestimmung der Spurengase in Wasserstoff.

Brennwert bestimmen: Wie viel Wasserstoff ist im Erdgas?

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 in enger Kooperation 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 und Bewertung von Werkstoffen und Bauteilen für den direkten Kontakt mit H₂-Gas. Untersucht wird die Eignung der Materialien und Komponenten für einen unfallsicheren und dauerhaften Einsatz unter praxisnahen Bedingungen in einer realen H₂-Infrastruktur.