Herausforderung Wasserstoff – Messlösungen für eine Energierevolution

Wasserstoff steht im Mittelpunkt der Energiewende und bietet ein einzigartiges Potenzial zur Dekarbonisierung der Industrie und Umgestaltung unseres Energieverbrauchs. Das Gas, welches oft als eine der Säulen der Energiezukunft angesehen wird, stellt jedoch grosse technische Herausforderungen dar, insbesondere in Bezug auf Speicherung, Transport und Messung. In diesem Artikel gehe ich auf die wichtigsten Probleme im Zusammenhang mit Wasserstoff ein und zeige, warum KELLER Sensoren so konzipiert sind, dass sie den Anforderungen gerecht werden.

Man unterscheidet zwischen zwei Formen – dem einzelnen Wasserstoffatom (H) und dem molekularen Wasserstoff (H₂).

Wasserstoff gilt als umweltfreundlicher Kraftstoff, da bei seiner Nutzung zur Energiegewinnung keine schädlichen Abgase wie CO₂, Stickoxide oder Feinstaub freigesetzt werden. Stattdessen entsteht als einziges Nebenprodukt Wasser – ein wesentlicher Vorteil gegenüber fossilen Brennstoffen.

Wasserstoff birgt auch einige Nachteile. Da das Element in der Natur nur selten in reiner Form vorkommt, muss es in der Regel erst hergestellt werden. Das erfordert einen hohen Energieaufwand und treibt die Kosten in die Höhe. Besonders der sogenannte «grüne Wasserstoff» ist teuer, da er ausschliesslich aus erneuerbaren Energiequellen wie Sonnen- und Windenergie gewonnen wird. Andere Arten von Wasserstoff wie «blauer» und «grauer» Wasserstoff werden hingegen mit Hilfe fossiler Brennstoffe hergestellt, was den umweltfreundlichen Vorteil mindert.

Die Speicherung und der Transport von Wasserstoff sind technisch anspruchsvoll und mit besonderen Herausforderungen verbunden. Da Wasserstoffgas flüchtig und hoch entzündlich ist, muss es entweder unter sehr hohem Druck oder bei extrem niedrigen Temperaturen gelagert und transportiert werden. So wird die geringe Energiedichte pro Volumen ausgeglichen. Diese Bedingungen stellen hohe Anforderungen an die Sicherheit und die technische Ausstattung der Speichersysteme.

Verbrauch und Fassvermögen von Wasserstoff im Vergleich

Ein leichter PKW benötigt etwa 7 kg Wasserstoff, um eine Strecke von 700 km zurücklegen zu können. Eine Flasche Limonade mit einem Fassungsvermögen von 750 ml kann bei atmosphärischem Druck beispielsweise weniger als 70 Milligramm Wasserstoff aufnehmen.

Verschiedene Methoden der Speicherung von Wasserstoff ermöglichen es, die Bedürfnisse unserer Kundschaft zu erfüllen:

• Gasförmiger Wasserstoff: Wasserstoff kann durch Hochdruckverdichtung auf bis zu 700 oder sogar 950 bar gasförmig in speziellen Tanks gespeichert werden. Diese Art der Speicherung erfordert jedoch besonders robuste und kostspielige Tanks.
  Tanks für gasförmigen Wasserstoff gibt es in verschiedenen Ausführungen, die von schweren metallischen Modellen (Typ I) bis hin zu ultraleichten Verbundwerkstoffen (Typ IV) reichen. Das Gewichtsverhältnis reicht von 1-2 % bei Metalltanks bis zu 5-10 % bei Hochdruck-Verbundwerkstoffen, die sich ideal für Fahrzeuge eignen. Tanks des Typs V, die sich noch in der Entwicklung befinden, versprechen noch bessere Leistungen.
  Dieser komprimierte Wasserstoff kann auch über Rohrleitungen zur Versorgung grosser Wasserstoffverbraucher und Tankstellen geleitet werden.
• Flüssiger Wasserstoff: Ein alternativer Ansatz besteht in der Verflüssigung von Wasserstoff. Dafür sind äusserst niedrige Temperaturen von etwa -252 °C erforderlich, welche einen hohen Energieaufwand voraussetzen. Zudem erfordert der Transport in Tankwagen oder Kryotanks eine extreme thermische Isolierung und eine spezielle Infrastruktur.
• Alternative Methoden: Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Wasserstoff mit anderen Elementen zu verbinden. Es werden sogenannte «Produkte» geschaffen, die sich leichter transportieren lassen. Aktuell wird die Methanisierung von Wasserstoff intensiv erforscht, bei der Wasserstoff in Methan umgewandelt wird. Dazu können bestehende Erdgasinfrastrukturen genutzt werden. Andere Produkte wie Methanol (CH30H) und Ammoniak (NH3) werden ebenfalls für den Transport von Wasserstoff oder Energie untersucht. Projekte mit umweltfreundlichem Ammoniak sind beispielsweise ein Schlüsselbereich für Anwendungen in der industriellen Produktion und im Verkehr.
  Feste Wasserstoffspeicher, die auf Materialien wie Metallhydriden oder innovativen Verbindungen wie komplexen Hydriden und nanoporösen Materialien basieren, bieten eine kompakte und sichere Lösung für ultraleichte Mobilität oder maritime Anwendungen, einschliesslich Booten und U-Booten. Diese Technologien ermöglichen die Speicherung von Wasserstoff mit hoher Dichte ohne extreme Kompression.

Der Markt für die Speicherung von gasförmigem, flüssigem oder geologischem Wasserstoff boomt. Die Innovationen sind auf die Industrien in der Energieumwandlung, für Transport von Wasserstoff per Pipeline oder Tanker, sei dies auf der Strasse oder zur See ausgerichtet.

Die genaue und sichere Messung von Wasserstoff ist für industrielle Anwendungen entscheidend. Bei Druckmessung des Elements werden spezielle Anforderungen an die Messinstrumente gestellt. Unsere Sensoren sind dank ihrer fortschrittlichen Technologie in der Lage, die einzigartigen Herausforderungen dieses Gases zu meistern:

Permeation

Permeation beschreibt den Vorgang, bei dem Wasserstoff durch eine Schicht eines Materials dringt. Normalerweise kommt Wasserstoff in gebundener, molekularer Form als H2 (reiner Wasserstoff) oder H2O (gebunden mit Sauerstoff als Wasser) vor und nur selten als alleinstehendes Wasserstoffatom (H). Bei der Elektrolyse oder thermischem Schock können sich Wasserstoff-Moleküle (H2) trennen und zu Wasserstoff-Atomen (H) werden. Einzelne Wasserstoffatome (H) können durch ihre Leichtigkeit ein Metallgitter durchdringen und sich ihren Weg in die Metallmembrane bahnen. Dieser Prozess lässt sich in die folgenden drei Schritte unterteilen:

1. Wasserstoff wird vom Material absorbiert.
2. Wasserstoff durchdringt das Material durch Diffusion (H-Atome durchdringen Stahl und binden sich nach dem Durchdringen direkt wieder in H2-Molekülen).
3. Wasserstoff tritt auf der anderen Seite des Materials wieder aus.

Die Dauer dieses Prozesses wird Permeationsrate genannt. Um die Permeation von Wasserstoff zu verringern, werden die Membranen mit einer Schutzschicht aus Gold versehen. Gold hat im Vergleich mit Stahl eine niedrigere Permeationsrate. Das bedeutet, dass Gold als Barriere dient und die Diffusionszeit um ein Vielfaches verlängert.

Unser Portfolio für Wasserstoffanwendungen wächst weiter an Produkten, welche die anspruchsvollen Sicherheits- und Leistungsstandards erfüllen. Die Lösungen decken unterschiedliche Bedürfnisse über die gesamte Wasserstoffversorgungskette ab – sei dies für die Raffination, die Produktion von grünem Ammoniak, die Metallurgie, die Speicherung, den Transport oder die Elektrolyse.

Unsere Wasserstoff-Anwendungsseite bietet einen Überblick, was wir für H2-Applikationen alles zu bieten haben: www.keller-druck.com/h2