Fraunhofer IPM: Sensoren für den sicheren Wasserstoff-Transport
Da das unsichtbare und geruchlose Gas leicht brennbar und explosiv ist, ist dem Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM zufolge für den Aufbau der Wasserstoffinfrastruktur die Sicherheit der Leitungen, Speicher und Anschlussstellen äußerst wichtig.
Das IPM hat deshalb Sensor- und Messsysteme entwickelt, die auch kleinste Mengen Wasserstoff zuverlässig erkennen sollen. So könnten den Forschenden zufolge Leckagen aller Art schnell aufgespürt werden.
Die Forschungsarbeiten waren Teil des Wasserstoff-Leitprojekts TransHyDE des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gemeinsam mit dem Projektträger Jülich (PTJ). Dabei entwickeln Partner aus Wissenschaft und Industrie Lösungen für den Transport sowie die Speicherung des Gases. Dr. Carolin Pannek und das Team am Fraunhofer IPM leiteten das Teilprojekt Sichere Infrastruktur.
Entwickelt wurden drei verschiedene Sensorsysteme – für die Wasserstoff-Nutzung in unterschiedlichen Szenarien sowie Anwendungen.
Ultraschallsensor mit photoakustischem Effekt
Licht kann Gas zum Schwingen anregen und dadurch eine Schallwelle erzeugen. Diesen sogenannten photoakustischen Effekt nutzen die Forschenden für einen Ultraschallsensor.
Eine Lichtquelle strahlt dabei in das Gerät ein und erzeugt im Gas eine resonante Schallwelle mit einer Frequenz im Ultraschallbereich. Gelangt durch eine Membran Wasserstoff ins Gehäuse, kommt es zu einer Resonanzverschiebung, also einer Veränderung des Tons.
Der veränderte Ton wird von MEMS-Mikrofonen (MEMS, mikroelektromechanische Systeme) registriert – und so könnte dann aus Tanks oder Leitungen austretender Wasserstoff aufgespürt werden.
„Der Sensor könnte genutzt werden, um Behälter, Leitungen oder Verbindungsstücke zu prüfen. Denkbar wäre auch, mehrere Geräte ähnlich wie Rauchmelder in einem Raum zu verteilen und zu einem Sensornetzwerk zu verknüpfen“, erklärt Pannek.
Der Ultraschallsensor könnte zudem registrieren, wenn sich im Wasserstoff Moleküle anderer Stoffe befinden, er also minimal verunreinigt ist. Brennstoffzellen, die zum Beispiel in Lkw Strom erzeugen, benötigen hochreinen Wasserstoff - kleinste Verunreinigungen könnten die empfindlichen Membranen beschädigen. Der Sensor prüfe daher, ob der Wasserstoff wirklich rein ist.
Laserspektrometer
Eine Alternative zur Lagerung von Wasserstoff als Gas in Hochdruckbehältern oder bei minus 253 Grad Celsius als Flüssigkeit in Kryotanks ist der Einsatz von Ammoniak (NH3) als Trägermatrix. Dies würde sowohl die Speicherung als auch den Transport vereinfachen.
Allerdings ist Ammoniak extrem giftig, sodass Leckagen schnell und zuverlässig entdeckt werden müssen. Zur Ferndetektion von Ammoniak hat das Fraunhofer IPM ein Laserspektrometer entwickelt. Es soll die Wellenlänge von Ammoniak absorbieren, reagiere darum sofort und zeige das Ergebnis auf einem Display an.
Nach Angaben von Pannek können Fachkräfte das kompakte Gerät in der Hand halten und damit Rohrleitungen oder Tanks aus einer Entfernung von bis zu 50 Metern prüfen.
„Auf Roboter oder Drohnen montiert prüft es Industrieanlagen oder fliegt über Pipelines“, so Pannek.
Raman-Spektroskopie
Beim dritten Messsystem handelt es sich um eine Weiterentwicklung der Raman-Spektroskopie. Bei der Raman-Verschiebung spielt den Forschenden zufolge die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie eine große Rolle.
Das von der Materie reflektierte Licht habe eine andere Wellenlänge als das eingestrahlte Licht – und jede Materie erhalte quasi einen spektroskopischen Fingerabdruck.
Für das Projekt TransHyDE haben die Forschenden einen Filter-basierten Raman-Sensor entwickelt, der selektiv Wasserstoff in komplexen Medien erkennt. Zum Einsatz kämen dabei kostengünstige Komponenten, beispielsweise eine CMOS-Kamera (Complementary Metal Oxide Semiconductor).
Ermöglicht würde eine mobile und flexible Prüfstation zur Quantifizierung von Wasserstoff. Das System könnte zum Beispiel in der Energiewirtschaft bei der Erzeugung von Wasserstoff verwendet werden.
Alle drei Sensorsysteme seien flexibel konzipiert und könnten für unterschiedliche Szenarien angepasst werden, so die Forschenden. "Der Startschuss für den Ausbau der Wasserstoffwirtschaft kann fallen", ist Pannek überzeugt.
