Zuverlässige Messtechnik für Wasserstoff – Herausforderungen und Lösungen

Im Vergleich zu anderen Gasen hat Wasserstoff außergewöhnliche chemische und physikalische Eigenschaften. Er ist das leichteste Element im Universum und besitzt eine extrem hohe Diffusionsfähigkeit. Das bedeutet, dass er in viele Materialien eindringen kann, was bei Sensoren zu Materialermüdung und Undichtigkeiten führen kann. Zudem ist Wasserstoff hochreaktiv: Bereits kleinste Mengen Sauerstoff reichen aus, um explosionsfähige Gemische zu bilden. Drucksensoren und Füllstandmessgeräte müssen daher nicht nur äußerst präzise arbeiten, sondern auch speziell gegen Diffusion und Versprödung geschützt sein.

Trotz seiner einfachen atomaren Struktur aus nur einem Proton und einem Elektron weist Wasserstoff komplexe chemische Eigenschaften auf. Besonders kritisch sind:

• Hohe Reaktivität: Wasserstoff bildet mit Sauerstoff explosionsfähige Gemische – die Zündenergie ist 15-mal niedriger als die von Methan.
• Diffusionsfähigkeit: Die kleinen Moleküle dringen in metallische Werkstoffe ein, was zu Leckagen führen kann. In ölgefüllten Drucksensoren kann es beispielsweise dazu kommen, dass sich die Ölfüllung aufbläht.
• Wasserstoffversprödung: Wasserstoff sammelt sich an Korngrenzen in Metallen, was langfristig zur Schwächung und sogar zum plötzlichen Bruch führen kann.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, setzen Hersteller von Wasserstoff-Messtechnik auf spezielle Materialien wie Edelstahl 316L sowie auf innovative Beschichtungen wie Gold-Rhodium.

Wasserstoff wird entweder unter sehr hohem Druck oder bei extrem niedrigen Temperaturen gelagert. Diese Bedingungen setzen die Messtechnik erheblichen Belastungen aus. Wasserstoff wird oft bei 400 bis 700 bar gespeichert, beispielsweise in Hochdrucktanks oder Verdichtersystemen. Die Herausforderung dabei:

• Sensoren müssen extremen Drücken standhalten, ohne an Genauigkeit zu verlieren.
• Materialermüdung durch Wasserstoffversprödung muss verhindert werden.
• Diffusion kann langfristig die Stabilität von Druckmesszellen beeinträchtigen.

Sicherheit ist ein zentraler Aspekt in der Wasserstofftechnik. Der Explosionsbereich von Wasserstoff ist sehr breit: Gemische mit Sauerstoff oder Luft sind bei Wasserstoff-Anteilen von 4 bis 77 Volumenprozent explosiv. Zudem hat Wasserstoff eine extrem niedrige Zündenergie. Um Risiken zu minimieren, werden mehrstufige Schutzkonzepte angewendet:

1. Primärer Explosionsschutz: Vermeidung explosionsfähiger Gemische, z. B. durch sichere Trennung von Wasserstoff und Sauerstoff in Elektrolyseuren.
2. Sekundärer Explosionsschutz: Eliminierung von Zündquellen durch eigensichere Sensoren mit geringer elektrischer Energie.
3. Tertiärer Explosionsschutz: Maßnahmen zur Schadensbegrenzung, falls es doch zur Zündung kommt.

Die VEGA-Sensoren sind nach ATEX, IECEx und SIL zertifiziert und ermöglichen den sicheren Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen sowie in Sicherheitsfunktionen.

Wie trägt Digitalisierung zur Prozesssicherheit bei?
Neben der reinen Messung bietet moderne Sensortechnik digitale Zusatzfunktionen, die zur Betriebssicherheit beitragen. VEGA-Sensoren verfügen über:

• Selbstdiagnosefunktionen: Permanente Überwachung des Sensorzustands, um Anomalien frühzeitig zu erkennen.
• Digitale Datenübertragung: Nahtlose Integration in Industrie-4.0-Systeme über IO-Link und HART-Protokolle.
• Remote-Zugriff via Bluetooth: Wartung und Parametrierung aus sicherer Entfernung.

Zudem ermöglicht das VEGA Inventory System eine vorausschauende Bestandsüberwachung, um Engpässe zu vermeiden und Nachschub rechtzeitig zu planen.

Mit der zunehmenden Digitalisierung und Vernetzung industrieller Prozesse steigt die Anfälligkeit von Prozessanlagen für Cyberangriffe. Auch Messgeräte geraten zunehmend ins Visier von Hackern. Manipulationen an diesen Geräten gefährden nicht nur die Datensicherheit, sondern beeinträchtigen auch die Betriebssicherheit erheblich. Daher ist es entscheidend, die Operational Technology (OT) wirksam zu schützen, um sowohl die Produktionssteuerung als auch die Integrität der Messsysteme vor Angriffen zu bewahren. VEGA begegnet diesen Herausforderungen mit einem umfassenden Sicherheitskonzept, das beispielsweise im VEGAPULS 6X integriert ist. Dieser Radarsensor erfüllt die Anforderungen der IEC 62443-4-2 und bietet dank eines mehrstufigen Schutzansatzes (Defense-in-Depth) zuverlässigen Schutz vor Datenmanipulation, Spionage und Denial-of-Service-Angriffen. Zu den wichtigsten Sicherheitsmaßnahmen gehören:

• Verschlüsselte Datenübertragungen zur Abwehr von Cyberangriffen
• Benutzerauthentifizierung zur Verhinderung unbefugten Zugriffs
• Firmware-Integritätsprüfung zur Sicherstellung, dass nur autorisierte Software-Updates erfolgen
• Ereignisspeicher, der Manipulationsversuche dokumentiert

Ein weiteres zentrales Element von VEGAs Sicherheitsstrategie ist das firmeneigene Product Security Incident Response Team (PSIRT). Dieses Team überwacht kontinuierlich die Sicherheitslage, entwickelt präventive Updates und reagiert schnell auf potenzielle Bedrohungen. Durch die Kombination aus Cybersecurity, funktionaler Sicherheit und digitalen Schutzmechanismen trägt VEGA dazu bei, dass Wasserstoff-Anlagen auch in einer vernetzten Welt sicher bleiben.

Wasserstoff stellt hohe Anforderungen an die Messtechnik – von Hochdruckanwendungen über Kryotechnik bis hin zur Explosionssicherheit. VEGA bietet mit robusten Drucksensoren, Füllstandmessgeräten und digitalen Lösungen eine zuverlässige Basis für effiziente und sichere Wasserstoffprozesse. Durch innovative Materialtechnologien, fortschrittliche Kompensationssysteme und digitale Analysetools setzt VEGA neue Maßstäbe in der Wasserstofftechnik. So kann dieser vielversprechende Energieträger optimal genutzt werden – sicher, präzise und effizient.