Was sind messtechnische Lösungen für Wasserstoff-Anwendungen?

Der Startschuss für die künftige Wasserstoffwirtschaft hat seinen Preis: Am 15. Juli 2024 startete Deutschland mit 4,6 Milliarden Euro 23 Wasserstoff-Projekte, die im Fokus des politischen Interesses stehen, die „Important Projects of Common European Interest“ (IPCEI). Diese Maßnahme soll die gesamte Wertschöpfungskette des Wasserstoffs unterstützen – von der Erzeugung über die Speicherung bis hin zum Transport und der Nutzung – und die Wasserstoffwirtschaft in Deutschland ankurbeln.

Wasserstoff spielt eine Schlüsselrolle bei der Dekarbonisierung der Industrie und einer klimaneutralen Wirtschaft. Allein in der EU sollen bis 2030 jährlich 10 Millionen Tonnen Wasserstoff aus erneuerbaren Energien erzeugt werden, wie es der Plan REPowerEU der EU-Kommission vorsieht. Auch außerhalb der EU haben viele Industrienationen eigene Wasserstoffpläne.

Die Anwendungen sind vielfältig: Sie reichen von der Erzeugung über die Speicherung und Verteilung bis hin zur Weiterverarbeitung in industriellen Prozessen – oft auch in Form von Derivaten wie Ammoniak, Methanol oder E-Fuels. In der (Petro-)Chemie ist Wasserstoff ein alter Bekannter: Ob Hydrierprozess oder Synthesegas – viele wichtige Verfahren basieren auf Wasserstoff, der bisher allerdings meist durch Dampfreformierung aus Erdgas gewonnen wird – ein Prozess, bei dem bislang große Mengen des klimaschädlichen Kohlendioxids entstehen. Auch deshalb gewinnt die Elektrolyse von Wasser auf Basis erneuerbarer Energien zunehmend an Bedeutung.

Doch ganz egal, mit welchem Verfahren Wasserstoff hergestellt wird – ein sicherer Prozess erfordert den Einsatz von Messtechnik, die auf die spezifischen Anforderungen von Wasserstoffanwendungen abgestimmt ist. Und das nicht nur bei der Herstellung: In allen Bereichen der Wasserstoff-Wertschöpfungskette sind präzise und zuverlässige Messgeräte unerlässlich, um sichere und effiziente Prozesse zu gewährleisten.

So muss beispielsweise in Elektrolysezellen der Druck überwacht werden. Und auch bei der Wasserversorgung der Elektrolyseure gibt es Messaufgaben, wie zum Beispiel die Überwachung von Füllstanden in Behältern. Auch bei der Speicherung von Wasserstoff in Hochdrucktanks oder dem Lagern in Kryotanks spielt die Drucküberwachung eine wesentliche Rolle. Spätestens hier werden die extremen Anforderungen an die eingesetzte Messtechnik deutlich.

Bei der Druckgasspeicherung gilt: Je höher der Druck, desto wirtschaftlicher die Speicherung - 700 bar und mehr sind hier keine Seltenheit. Bei der Flüssiggasspeicherung hingegen herrschen extrem niedrige Temperaturen. Denn Wasserstoff wird unter Umgebungsdruck erst bei -253 °C flüssig. Weitere Messaufgaben ergeben sich beim Pipelinetransport, aber auch bei der Herstellung und dem Transport von Wasserstoffderivaten wie Ammoniak oder Methanol.

Sensoren für Füllstand und Druck sorgen dafür, dass die Prozesse von der Produktion über den Transport bis hin zur Nutzung von Wasserstoff effizient, sicher und vor allem verlustfrei ablaufen können. Messgeräte, die in Wasserstoffanwendungen eingesetzt werden, müssen jedoch besondere Herausforderungen meistern - denn Wasserstoff hat einzigartige physikalische und chemische Eigenschaften und muss unter extremen Betriebsbedingungen hergestellt, gelagert und verarbeitet werden.

Als kleinstes bekanntes Molekül ist Wasserstoff in der Lage, durch viele Materialien zu diffundieren, was zu Leckagen führen kann. Ein weiteres Phänomen ist die Versprödung durch Wasserstoff: Wenn Wasserstoff in Metall diffundiert und sich an Fehlstellen oder Mikrorissen sammelt, verlieren metallische Werkstoffe ihre Zähigkeit und Duktilität. Besonders bei hohen Drücken und extremen Temperaturen kann dies zum Problem werden. Hinzu kommt die Explosionsgefahr: Wasserstoff ist hochentzündlich und explosionsgefährlich, was zum Beispiel hohe Sicherheitsanforderungen an die Messtechnik stellt. Die geringe Dichte und die hohe Diffusionsrate von Wasserstoff stellen weitere Anforderungen an die Genauigkeit der Messgeräte.

Aber nicht nur der Wasserstoff selbst stellt in den Prozessen hohe Anforderungen an die Sensorik. Auch Nebenprodukte wie der bei der Elektrolyse entstehende Sauerstoff, das dort speziell aufbereitete Wasser oder auch Wasserstoffderivate wie Ammoniak oder Methanol haben ihre spezifischen Problemstellungen.

VEGA bietet eine Reihe innovativer Lösungen für die spezifischen Herausforderungen in Wasserstoffanwendungen. Zum Einsatz kommen widerstandsfähige Materialien wie spezielle Edelstahllegierungen - darunter 316L - und beschichtete Werkstoffe, die weniger anfällig für Wasserstoffversprödung sind. Gold- und Gold-Rhodium-Beschichtungen an der Messmembran bieten zudem Schutz gegen Diffusion.

Für die Füllstandmessung werden in Wasserstoffanwendungen unter anderem die Sensoren VEGAFLEX und VEGAPULS 6X eingesetzt. Sie messen auch in Medien mit niedriger Dielektrizitätszahl und sind leicht zu reinigen. Das ist vor allem dort wichtig, wo die Sensoren unter Sauerstoffatmosphäre eingesetzt werden, zum Beispiel im Elektrolyseur. Sie erfüllen – wie auch die Drucksensoren – die weltweit gängigen Normen ASTM G93 und EIGA 33/18. In Elektrolyseuren kommen beispielsweise die Drucksensoren VEGABAR 28 in den Zu- und Ableitungen zum Einsatz. Ihre keramische Messzelle sorgt für einen langzeitstabilen Betrieb.

Gegenüber herkömmlichen Drucksensoren mit metallischen Messzellen zeichnen sich keramische Messzellen durch eine deutlich höhere Überlastfestigkeit aus. Während sich Metallmembranen bei sehr hohen Drücken irreversibel verformen können, legt sich die Keramikmembran lediglich an den Grundkörper an und kehrt später wieder in ihre Ausgangslage zurück.

Während metallische Messzellen mit einem Druckmittleröl als Übertragungsmedium arbeiten, das bei einem Membranbruch in den Prozess austreten kann, sind keramische Messzellen trocken. Sie funktionieren ähnlich wie ein Kondensator: In Membran und Grundkörper eingebettete Messelektroden und Luft als Dielektrikum bilden ein elektrisches Feld. Durch Druck auf die Keramikmembran wird diese minimal ausgelenkt, wodurch sich die Kapazität ändert.

Aus der Kapazität kann mit Hilfe der Werkskalibrierung auf den Druck geschlossen werden. Der trockene Keramiksensor des VEGABAR 28 ist auch für die Druckmessung in den Sauerstoffleitungen der Elektrolyseure prädestiniert. Denn reiner Sauerstoff wirkt nicht nur brandfördernd, sondern kann bei direktem Kontakt mit brennbaren Flüssigkeiten sogar zu Explosionen führen.

Da die Anwendungen in der Wasserstoffwirtschaft vielfältig sind, bietet VEGA ein breites Portfolio an Sensoren. Während der VEGABAR 28 für Drücke bis 60 bar spezifiziert ist, können mit dem VEGABAR 83 oder dem VEGABAR 29 Prozessdrücke bis 1000 bar langzeitstabil gemessen werden. Diese Sensoren kommen beispielsweise bei der Druckmessung im Lagertank zum Einsatz. Seine ölfreie DMS-Messzelle sorgt auch unter diesen extremen Bedingungen für langzeitstabile Messungen.

Der VEGABAR 82 mit seiner ölfreien keramischen Messzelle wird dagegen auch bei aggressiven Medien wie Kalilauge eingesetzt und ist mit seiner hohen Überlastfähigkeit in vielen Prozessen der geeignete Sensor - zum Beispiel zur Drucküberwachung in Wasserstoffleitungen. Die einfache Verschaltung von Sensoren der Serie VEGABAR 80 zu einem elektronischen Differenzdruckmessumformer eröffnet neue Möglichkeiten bei der Messung von Differenzdrücken und Füllständen.

Diese Anwendung ist auch das Einsatzgebiet des Differenzdruckmessumformers VEGADIF 85: Das Gerät sorgt bei der Füllstandmessung von flüssigem Wasserstoff für präzise Messwerte - und das auch bei kleinsten hydrostatischen Drücken.

VEGA setzt hochpräzise Sensoren und modernste Kalibrierverfahren ein, um genaue Messungen zu gewährleisten. Produkte wie VEGAFLEX und VEGAPULS 6X bieten zuverlässige Füllstandmessung auch unter extremen Bedingungen.

Eine Besonderheit von Wasserstoff im Vergleich zu anderen brennbaren Gasen ist der sehr weite Explosionsbereich: Explosionsfähig sind Gemische zwischen 4 und 77 Volumenprozent - und bei einer Wasserstoff-Explosion breiten sich die Flammen sehr schnell aus. Hinzu kommt, dass nur wenig Energie benötigt wird, um ein Wasserstoff-Luft-Gemisch zu zünden: Mit 0,02 mJ ist die Zündenergie um den Faktor 15 geringer als bei Methan. Auch deshalb wird Wasserstoff in die gefährlichste Zündgruppe (IIC) eingestuft. Die Sensoren verfügen über Ex- und SIL-Qualifikationen, um höchste Sicherheitsstandards zu erfüllen.