Sichere Messtechnik für Wasserstoffanwendungen: Worauf kommt es an?

Wasserstoff ist extrem flüchtig und besitzt die kleinste aller Molekülgrößen. Dadurch kann er durch viele Materialien diffundieren und erfordert spezielle Dichtungen und Sensor-Technologien. Hinzu kommt, dass Wasserstoff häufig unter extremen Bedingungen gelagert und transportiert wird – sei es unter hohem Druck in Speichertanks oder bei tiefkalten Temperaturen in verflüssigter Form. Moderne Druckmessgeräte und Füllstandsensoren ermöglichen eine exakte Überwachung dieser Prozesse und tragen dazu bei, Wasserstoff sicher und effizient in der gesamten Wertschöpfungskette zu nutzen.

Die Produktion von Wasserstoff erfolgt auf unterschiedlichen Wegen, wobei die Messtechnik in allen Verfahren eine zentrale Aufgabe übernimmt.

Dampfreformierung – der konventionelle Weg
Derzeit wird der größte Teil des weltweit produzierten Wasserstoffs durch Dampfreformierung von Erdgas gewonnen. Dabei wird Methan bei Temperaturen um 800 °C mit Wasserdampf umgesetzt, wobei Wasserstoff und Kohlendioxid entstehen. Dieses Verfahren ist etabliert, erzeugt jedoch erhebliche CO₂-Emissionen – man spricht vom „grauen Wasserstoff“. Wird das CO₂ aufgefangen und gespeichert oder genutzt, spricht man vom „blauen Wasserstoff“.

Elektrolyse – die klimafreundliche Alternative
Um klimaneutralen „grünen Wasserstoff“ zu erzeugen, wird zunehmend auf die Elektrolyse gesetzt. Hierbei wird Wasser durch elektrischen Strom aus erneuerbaren Quellen (z. B. Wind, Photovoltaik, Wasserkraft) in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Je nach Verfahren unterscheiden sich die technischen Anforderungen:

• Alkalische Elektrolyse (AEL): Arbeitet mit einer Kalilauge als Elektrolyt und benötigt konstante Betriebsbedingungen.
• PEM-Elektrolyse: Nutzt eine Polymermembran und erlaubt schnelle Lastwechsel, wodurch sie sich gut für schwankende erneuerbare Energiequellen eignet.
• Hochtemperatur-Elektrolyse (SOEC): Erreicht durch Betriebstemperaturen über 1000 °C besonders hohe Wirkungsgrade.

In allen Elektrolyseverfahren sind präzise Füllstandmessungen für die Elektrolytbevorratung, Drucküberwachung in Gasleitungen und Grenzstanderfassung essenziell, um stabile Betriebsbedingungen sicherzustellen.

Da gasförmiger Wasserstoff eine geringe Energiedichte aufweist, sind leistungsfähige Speicher- und Transportlösungen erforderlich. Die Wahl der geeigneten Methode hängt von Faktoren wie Transportweg, Effizienz und Sicherheitsanforderungen ab.

Druckspeicherung
Die häufigste Speichermethode ist die Kompression in Drucktanks. Wasserstoff wird dabei auf bis zu 700 bar verdichtet und in Spezialbehältern aus Hochleistungswerkstoffen gespeichert. Diese Technologie kommt unter anderem in Brennstoffzellenfahrzeugen zum Einsatz.
Zu den wesentlichen technischen Herausforderungen bei der Druckspeicherung gehören exakte Druckmessungen, um Über- oder Unterdruckzustände zu vermeiden und die Beherrschung der Wasserstoff-Diffussion, die auf Dauer zu Leckagen führen kann. Die hier eingesetzten Hochdrucksensoren müssen widerstandsfähig gegenüber Versprödung sein.

Verflüssigung
Um größere Mengen Wasserstoff effizient zu transportieren, wird das Gas auf Temperaturen von -240 bis -253 °C heruntergekühlt und verflüssigt. Dies reduziert das Volumen erheblich, ist aber ein energieintensiver Prozess, für den etwa ein Drittel der gespeicherten Energie für die Kühlung benötigt wird. Die extrem niedrigen Temperaturen stellen dabei besondere Anforderungen an die eingesetzten Drucksensoren. Zudem müssen die dafür verwendeten, hoch isolierten Kryotanks kontinuierlich gekühlt und überwacht werden, um Verdampfungsverluste zu minimieren.

Chemische Speicherung
Eine vielversprechende Alternative ist die chemische Bindung von Wasserstoff in Trägerstoffen wie Ammoniak (NH₃) oder Methanol. Diese lassen sich mit der bestehenden Infrastruktur transportieren und bei Bedarf in Wasserstoff zurückverwandeln. Auch hier spielen zuverlässige Drucksensoren und Füllstandmessungen eine zentrale Rolle, um eine effiziente Lagerung und Verteilung sicherzustellen.

Wasserstoff stellt durch seine hohe Diffusionsfähigkeit besondere Anforderungen an die Messtechnik. Sensoren mit goldbeschichteten Messzellen bieten einen effektiven Schutz gegen das Eindringen von Wasserstoffmolekülen und sorgen für eine langfristig stabile Messung.
Auch die Wasserstoffversprödung metallischer Komponenten erfordert robuste Materialien wie Edelstahl 316L oder spezielle Beschichtungen. VEGA setzt zudem auf diffusionsdichte Hochdruckanschlüsse, um Sensoren auch unter extremen Bedingungen zuverlässig arbeiten zu lassen.

VEGA bietet speziell entwickelte Sensoren, die den extremen Anforderungen von Wasserstoffsystemen gerecht werden:

• VEGABAR 83: Mit einer trockenen DMS-Messzelle ermöglicht dieses Gerät langzeitstabile Druckmessungen bei extremen Prozessdrücken bis zu 1.000 bar.
• VEGABAR 82: Mit einer ölfreien, keramischen Messzelle bietet dieser Sensor eine zuverlässige Messung von gasförmigem Wasserstoff. Zudem ist die Messzelle beständig gegenüber aggressiven Medien wie Kalilauge, die in der Elektrolyse eingesetzt wird. 
• VEGAFLEX-Serie: Zuverlässige Füllstandmessungen auch in Anwendungen mit geringer Dielektrizitätszahl.
• VEGAPULS 6X: Hochpräzise Radar-Füllstandmessung, z. B. für die Messung von Elektrolyten in der Wasserstoffproduktion.
• BASIC-Sensoren: Für weniger anspruchsvolle Anwendungen bietet VEGA BASIC-Sensoren, die eine zuverlässige und ökonomische Messungen von Druck und Füllstand in Wasserstoffanwendungen ermöglichen.

Die Wasserstoffwirtschaft wächst rasant – und mit ihr die Anforderungen an eine zuverlässige Wasserstoff-Messtechnik. Ob in der Produktion, beim Transport oder in der Speicherung: Hochpräzise Druckmessgeräte und Füllstandsensoren sind essenziell, um Wasserstoff effizient und sicher zu nutzen.
VEGA bietet maßgeschneiderte Lösungen mit metallischen oder keramischen Messzellen, diffusionsgeschützten Anschlüssen und Hochdrucksensoren, die speziell für die extremen Anforderungen von Wasserstoffanwendungen entwickelt wurden. So kann Wasserstoff als Energieträger der Zukunft optimal und sicher genutzt werden.