Wasserstoff – Treibstoff der Zukunft?

In Zeiten des Klimawandels und der allgemeinen Forderung nach nachhaltiger Energiewirtschaft durch erneuerbare Energien wird viel an alternativen Energieträgern und Treibstoffen geforscht und entwickelt. Dadurch entstand die europäische Wasserstoffstrategie, die Wasserstoff als tragende Säule im Kampf gegen den Klimawandel betrachtet. Wasserstoff wird somit als potenzieller Treibstoff und auch als Energieträger der Zukunft betrachtet. Jedoch bringt dieser neue Kurs neben den politischen und strukturellen Hürden auch einige technische Herausforderungen mit sich.

Nachhaltigkeit

Die Nachhaltigkeit von Wasserstoff hängt stark davon ab, wie dieser hergestellt wird, bzw. was für eine Art von Energie für die Herstellung verwendet wird. Grundsätzlich wird zwischen grünem und grauem Wasserstoff unterschieden. Grauer Wasserstoff wird durch Energie aus fossilen Brennstoffen gewonnen und ist daher nicht klimaneutral. Grüner Wasserstoff hingegen wird durch Elektrolyse von Wasser aus erneuerbaren Energien hergestellt. Grüner Wasserstoff wird in den kommenden Phasen der Energiewende eine immer grössere Rolle spielen. Momentan ist die Gewinnung jedoch sehr teuer und kann noch nicht in grosser Menge erfolgen. Dieser Wasserstoff soll deshalb aus Ländern importiert werden, in welchen das Potential für erneuerbare Energien, zum Beispiel durch Sonnenenergie oder Windkraft, grösser ist. Grüner Wasserstoff soll beispielsweise zum Ausgleich von Spitzenlasten im Stromnetz dienen. Die Gewinnung dieses grünen Wasserstoffs gilt unter Experten als Schlüsseltechnologie im Kampf gegen den Klimawandel.

Was ist Wasserstoff?

Wasserstoff ist das leichteste chemische Element in unserem Universum. Es besitzt sowohl viele positive als auch einige negative bzw. gefährliche Eigenschaften. Eine gleichzeitig positive wie auch gefährliche Charakteristik ist seine chemische Reaktionsfreudigkeit. Eine weitere Herausforderung ist die hohe Permeabilität von Wasserstoff. Das bedeutet, Wasserstoff ist in der Lage durch andere Materialien wie zum Beispiel Edelstahl hindurch zu «wandern». In der Fachsprache wird dies als «Diffundieren» bezeichnet.

Materialien in Kontakt mit dem Medium Wasserstoff müssen daher erhöhten Anforderungen entsprechen. Genau das ist eine der grossen Herausforderungen für uns Drucktransmitter-Hersteller. Mit welchen Materialien kann die bestmögliche Lebensdauer für einen Drucktransmitter gewährleistet werden? Ab welchem Zeitpunkt wird es zu einem Sicherheitsrisiko für das komplette System? Und wie lange kann man ausreichend genau messen?

Wasserstoffanwendungen

Drucktransmitter werden in der gesamten Wasserstoffkette benutzt. Von der Herstellung über den Transport bis hin zur Verwendung am Ende der Kette; in jedem Prozessschritt muss der Druck des Mediums Wasserstoff überwacht werden. Dennoch gibt es erhebliche Unterschiede bezüglich Anforderungen und Spezifikation des Messgerätes. Der Transport des Gases kann über Gasleitungen oder auch LKWs erfolgen. Beim Transport über Gasleitungen herrschen eher tiefe Drücke im Bereich von 25 bis 80 bar, wohingegen beim Transport via LKW Drücke bis zu 350 bar gemessen werden.

Bei der Verwendung von Wasserstoff muss das Gas unter hohem Druck in Tanks gelagert werden. Hier werden Drücke von 350 bar resp. 700 bis 900 bar überwacht. Es wird unterschieden zwischen PKWs (700 / 900 bar) und LKWs / Bussen (350 bar). Um diese Fahrzeuge zu betanken, wird an Tankanlagen der Wasserstoffdurchfluss bei einem Druck von 950 bar berechnet. Bereits kleine Abweichungen im Messergebnis können zu erheblichen Verlusten für den Betreiber oder auch den Kunden führen.

Trotz dieser unterschiedlichen Einsatzgebiete, müssen die Drucktransmitter dennoch folgenden Anforderungen entsprechen:

• Genauigkeit
• Langlebigkeit
• Sicherheit / Eigensicherheit

KELLER-Lösung

Ein auf piezoresistiver Technologie basierender Drucktransmitter besitzt eine Edelstahlmembrane und dahinter befindet sich das Druckübertragungsmedium Öl. Wie bereits erwähnt ist die Permeabilität eine Herausforderung bei der Handhabung von Wasserstoff. Das Gas ist in der Lage durch den Stahl zu diffundieren. Bereits kleine Mengen Wasserstoff hinter der Edelstahlmembrane können zu einer Ungenauigkeit im Messergebnis bis hin zur Zerstörung des Sensors führen.

Wissenschaftliche Untersuchungen haben ergeben, dass die Permeabilität von Gold viel geringer ist als die von Edelstahl. Eine bewährte Lösung ist daher die Stahlmembrane mit Gold zu beschichten und so ein Eindringen des Wasserstoffs deutlich zu entschleunigen.

Bei den eingesetzten Drucktransmittern wird bei den Materialien in Medienkontakt komplett auf elastomerhaltige Materialien verzichtet. Der Transmitter ist im Innern voll verschweisst und die Dichtstelle zwischen Transmitter und Messstelle wird metallisch gedichtet.

Mittels einer öl- und fettfreien Reinigung des Sensors kann eine Verunreinigung des kompletten Wasserstoffsystems vermieden werden. Zusätzlich sind sämtliche zum Einsatz kommende Wasserstoff-Sensoren für erhöhte Sicherheit (3G) ATEX zertifiziert.

Key facts:

• Goldbeschichtete Membrane
• Metallisch dichtend
• ATEX Zertifiziert
• Öl- und fettfrei