Sensorik für die Wasserstoff-Wirtschaft

Die genaue Bestimmung von Spurenverunreinigungen im Wasserstoff ist ein zentrales Thema der chemischen Industrie, denn die Reinheit in stoffwandelnden Prozessen ist nicht nur für die Gasqualität, sondern auch für die Sicherheit von Prozessen relevant. So wird beispielsweise für Brennstoffzellen ultrahochreiner (UHP) Wasserstoff nach ISO 14687 Teil 2 benötigt, um eine möglichst lange Lebensdauer des Elektrolyten und der Katalysatoren zu erreichen. Ähnliches gilt für Spezialgase, die bei der Herstellung von Halbleitern verwendet werden. Schon Spurenverunreinigungen in Teilen pro Billion (ppb) führen zum Verlust ganzer Chargen.

Hersteller und Anwender von Wasserstoff müssen daher sicherstellen, dass die Qualität des Wasserstoffs den geforderten Spezifikationen entspricht. Derzeit wird Wasserstoff hauptsächlich aus Erdgas durch Dampfreformierung von Methan (Steam Methane Reforming – SMR) hergestellt. Nachteil dieses sogenannten „grauen“ Wasserstoffs ist, dass bei der Zerlegung von Methan (CH4) in seine Moleküle eine große Menge an Kohlendioxid erzeugt wird. Der Prozess der Dampfreformierung eignet sich aber auch für die Gewinnung von Wasserstoff aus Biomethan. Dies hat den Vorteil, dass weniger schädliche Nebenprodukte entstehen.

Im Vergleich dazu wird zur Herstellung von „grünem“ Wasserstoff, der über die Elektrolyse von Wasser gewonnen wird, elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen wie Wind- und Sonnenenergie genutzt. Wie eine solche Energiebereitstellung für die grüne Wasserstoffproduktion über die Elektrolyse aussehen kann, zeigt das auf grünen Wasserstoff spezialisierte französische Start-up-Unternehmen Lhyfe mit diversen Projekten in Frankreich und Dänemark. Ein Beispiel ist die geplante Elektrolyseanlage mit einer Leistung von 24 MW auf dem Industriepark Greenlab in Dänemark. Die direkte Verbindung der geplanten Produktionsanlagen mit erneuerbarer Energie aus der Windkraft ermöglicht die Herstellung von 100 % CO2-neutralem grünem Wasserstoff.

Das Unternehmen Process Sensing Technologies (PST) bietet eine umfassende Palette von Instrumenten und Analysatoren für Präzisionsmessungen in der industriellen Prozesssteuerung, Umweltüberwachung und Lebensmittel-/Pharmaverarbeitung. Sie überwachen unter anderem Prozesse für die Wasserstofferzeugung wie Methan-Dampfreformierung, Wasserstoffgeneratoren oder durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoff. Darüber hinaus bieten sie Schutz vor Verunreinigungen durch Feuchtigkeit. Für die Messungen von Spurenverunreinigung im Wasserstoff gemäß ISO 14687 ist das All-in-one-Gaschromatographie(GC)-System Hy-Detek eine geeignete Lösung. Denn gerade bei der Spurenverunreinigung im Wasserstoff geht es um den Nachweis extrem geringer Konzentrationen, die einzeln zu messen sind.

Das System misst Verunreinigungen im ppb/ppm-Bereich von Stickstoff, Argon, Methan, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Nicht-Methan-Kohlenwasserstoffe, Schwefel, Formaldehyd, Ammoniak, halogenierte Ameisensäure und Wasser. Die Einsatzmöglichkeiten reichen von der Analyse der Spurenverunreinigungen über die Bestimmung der Reinheit von Wasserstoff an Messstellen bis hin zu Messungen der Synthesegas-Zusammensetzung. Insgesamt lassen sich bis zu 16 Ströme einstellen und unterschiedliche Kombinationen von Detektoren integrieren, um das komplette Spektrum abzudecken – beispielsweise ein Plasma-Emissionsdetektor (PED), ein Wärmeleitfähigkeitsdetektor (TCD) und ein Sensor zur Messung der Spurenfeuchte. Ein Flammen-Ionisations-Detektor (FID) steht ebenfalls zur Verfügung. Da alle Module im gleichen Analysenschrank montiert sind, kann das Unternehmen das komplette Spektrum an Analysen aus einer Hand anbieten. Mit Einzelgeräten wäre dies vor allem im ppm-Bereich sehr kostenintensiv.

PED-Detektoren nutzen das Prinzip der spektroskopischen Emission in einer kompakten Messzelle und werden eingesetzt, um mehrere Messungen mit einem einzigen Detektionsmodul durchführen zu können. Zudem arbeiten sie meist mit alternativen Trägergasen. Das mikroprozessorgesteuerte Plasma-Emissions-Detektorsystem Plasma-Detek 2 wurde speziell für GC-Systemintegratoren und -Hersteller sowie Endanwender entwickelt und erlaubt dank „Plug-and-Play“ die Installation in jedes Gaschromatographie-System. Es arbeitet wahlweise mit Argon oder Helium als Trägergas und ist ausgelegt für die Messung organischer und anorganischer Verbindungen sowie permanenter Gase und Edelgase, einschließlich Neon – von ppb bis zur %-Erkennung mithilfe von Kapillar- oder gepackten Säulen. Mit Argon als Trägergas lassen sich die Betriebskosten im Vergleich zu den meisten Stand-alone-Geräten, die nur mit Helium arbeiten, um einen Faktor 4 bis 5 senken.

Ein solches System arbeitet auch in der derzeit größten Protonenaustauschmembran-Elektrolyseanlage der Welt in Quebec (Kanada). Die integrierten PED-Detektoren haben hier die Aufgabe, mit selektiven optischen Filtern mögliche Spuren von Sauerstoff, Stickstoff und Kohlendioxid im erzeugten Wasserstoff nachzuweisen. Diese Elemente zählen zu den wichtigsten Verunreinigungen, die bei durch Elektrolyse von Wasser erzeugtem Wasserstoff überwacht werden müssen.

Auch der Wärmeleitfähigkeitsdetektor TCD (Thermal Conductivity Detector) ist ein zentraler Detektor in der Gaschromatographie. Er dient im Wesentlichen für Nachweis und Quantifizierung anorganischer Gase wie Argon, Stickstoff, Wasserstoff und Kohlendioxid und misst die Differenz der Wärmeleitfähigkeit des Probengasstroms gegenüber einem Trägergas als Referenz.

Um zusätzlich eine Messung des Spurenfeuchtegehalts zu ermöglichen, steht ein Schwingquarz-Analysatore (QMA401) zur Verfügung. Auch er kann in die GC-Onlinemessung mit dem Hy-Detek integriert werden – ein Alleinstellungsmerkmal. Der Schwingquarz-Analysator wurde entwickelt, um eine zuverlässige, schnelle und genaue Messung der Spurenfeuchte in Anwendungen zu ermöglichen, bei denen es von entscheidender Bedeutung ist, diesen Wert auf ein Minimum zu reduzieren. Das Gerät liefert konstant sehr präzise Messungen der Spurenfeuchte im Bereich 0,1 bis 2.000 ppmv. Hierzu justiert ein Selbstkalibrierungssystem den Sensor unter Bezugnahme auf einen internen Feuchtegenerator.

Mit dem Hy-Detek-System bietet PST dem Anwender eine All-in-one-Lösung aus einer Hand. Unterschiedliche Kombinationen von Detektoren wie PED, TCD und FID zusammen mit einer hochpräzisen Feuchtemessung über einen Schwingquarz ermöglichen die Analyse zahlreicher möglicher Spurenverunreinigungen im Wasserstoff. Bei Bedarf steht mit dem Multi-Detek 2 Ex auch eine gespülte Version in einem zertifizierten Edelstahlgehäuse für den Einsatz in Gefahrenbereichen der Zonen 1 und 2 zur Verfügung.