Wasserstoff – Wunderwaffe gegen den Klimawandel

Wasserstoff hat das Potenzial, fossile Energieträger wie Gas, Kohle und Öl zu ersetzen. Er wird deshalb oft als Hoffnungsträger für eine nachhaltige Zukunft angesehen. In der Tat kann Wasserstoff Fahrzeuge antreiben, grünen Strom speichern, die Industrie klimafreundlich machen und einen entscheidenden Beitrag zur Reduktion von Treibhausgasemissionen leisten. Dabei spielen allerdings die Technologien zur Druckmessung eine Schlüsselrolle.

(Auszug aus der Nachhaltigkeitsbroschüre)

Foto: Auto tankt mit Wasserstoff auf — Unser Wunsch nach Mobilität steht heute oft im Widerspruch zu dem, was der Umwelt guttut. Damit dieser Wunsch in Zukunft nachhaltig erfüllt werden kann, braucht es innovative Technologien – und clevere Detaillösungen.

Was braucht es eigentlich, damit Wasserstoff als Energieträger sein volles Potenzial entfalten kann? Ganz einfach: ausgeklügelte technische Lösungen! Besonders wichtig sind kleine, präzise Drucksensoren, die den Druck in Wasserstoffsystemen stabil und genau messen können. Denn nur so lassen sich die Systeme sicher und effizient betreiben.

Das Gute vorweg: Durch innovative technische Entwicklungen wird es langfristig möglich sein, Wasserstoff in grossem Mass als umweltfreundlichen Energieträger zu etablieren.

An technischen Herausforderungen führt bei der Wasserstoffwirtschaft allerdings kein Weg vorbei.

Die Wasserstoffindustrie ist auf zuverlässige Druckmessung angewiesen

Die Wasserstoffmobilität, also der Betrieb von Autos, Bussen und Lkw bis hin zu Schienenfahrzeugen und Flugzeugen, erfordert einen sehr hohen Druck in den Tanks. Nur so kann ausreichend Energie gespeichert werden, um ähnlich lange Strecken ohne Zwischenbetankung zurückzulegen wie mit fossilen Energieträgern. Fahrzeugtanks werden deshalb meist mit einem Druck von 350 oder gar 700bar betankt. Die Anforderungen an Ventiltechnik, Tanks und Kompressoren in den Tank-stellen und natürlich an die überall integrierte Druckmessung sind entsprechend hoch.

Während Wasserstoff in der Chemie- und Prozessindustrie bereits seit vielen Jahren bei niedrigem Druck eingesetzt und druckmässig überwacht wird, stellen sich bei Anwendungen von Wasserstoff als Energieträger und in der Mobilität besondere Herausforderungen:

Druckmessbereiche bis zu 1000bar, häufig geringe Platzverhältnisse und zugleich ein hoher Kostendruck bei Grossserien erfordern innovative Sensorkonzepte.

Herausforderungen bei der Druckmessung von Wasserstoff

Das Wasserstoffmolekül ist eine technische Knacknuss. Als kleinstes Molekül überhaupt kann es bei vielen handelsüblichen Stählen und anderen Materialien durch Diffusion in das Gefüge eindringen. Die Folgen: Es lagert sich entweder dauerhaft im Gefüge ein oder durchdringt dieses (Permeation). Häufig ist auch eine Kombination beider Effekte anzutreffen. Sehr bekannt ist zudem die Wasserstoffversprödung. Sie entsteht, wenn eingedrungener Wasserstoff das Gefüge des Stahls verändert. Bei der Permeation von Wasserstoff folgen auf die Sorption (Aufnahme) an der Membranoberfläche eine Diffusion durch das Membranmaterial und eine Desorption auf der Rückseite. Dieser Vorgang ist in den meisten Anwendungen wegen der ausreichend grossen Wand-stärken nicht problematisch (beispielsweise bei Drucktanks). Doch bei Drucksensoren mit ihrer prinzipbedingten geringen Wandstärke kann die Permeation von Wasserstoff durch die Messmembran zu einer Reaktion mit den Sensorelementen führen. Das kann den Sensor dauerhaft beschädigen, was falsche Messwerte zur Folge hat.

Die innovative Lösung steckt in Trafag-Produkten

Drucksensoren werden üblicherweise aus Stahllegierungen hergestellt, die sehr anfällig für Reaktionen mit Wasserstoff sind. Deshalb wird teilweise versucht, das Eindringen von Wasserstoff mit einer Goldbeschichtung zu verhindern. Allerdings wirkt diese Goldschicht manchmal ungenügend, nämlich dann, wenn sie zu dünn ist oder im Betrieb stellenweise beschädigt wird. Hier hat Trafag eine innovative Lösung entwickelt: eine spezielle Stahllegierung für Drucksensoren, die mit Wasserstoff in Kontakt kommen. Diese Legierung aus stickstoffgehärtetem, austenitischen Stahl ist nicht nur wasserstoffkompatibel, sondern verfügt auch über die Materialeigenschaften, die für robuste, genaue und langzeitstabile Drucksensoren nötig sind.

Trafag Drucktransmitter im Querschnitt und das Innenleben beschrieben für den Einsatz mit Wasserstoff

Trafag hat die Druckmesszelle aus dieser speziellen Stahllegierung mit dem Aufbau von Mobilhydraulik-Drucktransmittern und den bewährten, unter härtesten Bedingungen erprobten Komponenten zu einer neuen Produktlinie von Drucktransmittern verbunden: den Wasserstoff-Drucktransmittern NHT 8250. Parallel dazu wurde die Messzelle in einen im Schiffbau etablierten Drucktransmitter integriert, der auch für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen (Ex-Zonen) zugelassen ist.

Diese beiden Produktlinien decken die Anforderungen vielfältiger Anwendungen von Wasserstoff ab: in der Energieerzeugung in Elektrolyseuren, in Ventilen für Tanks, in Kompressoren und Tankstellen, in Brennstoffzellen und sogar in Verbrennungsmotoren, die mit bis zu 100% Wasserstoff betrieben werden können. Die zuverlässige Drucküberwachung als Basis für eine sichere Nutzung von Wasserstoff als nachhaltiger Energieträger ist damit gewährleistet.