Messung und Kontrolle der Feuchtigkeit in Wasserstoffbrennstoffzellen

Warum die Messung des Taupunkts für die Qualität von Wasserstoffkraftstoff entscheidend ist

Die Nachfrage nach Wasserstoff-Brennstoffzellen entwickelt sich rasant.  Nach Angaben des Marktforschungsunternehmens Vision Research dürfte der Markt bis 2030 einen weltweiten Wert von rund 60 Mrd. USD erreichen, was einem Anstieg von 60 % CAGR entspricht.  Die Dekarbonisierung des Verkehrs in all seinen Formen ist ein Hauptschwerpunkt, wobei Entwicklungen für wasserstoffbetriebene Züge, Schiffe, Flugzeuge und Straßenfahrzeuge im Gange sind.  Letztere - vor allem Nutzfahrzeuge - werden nach Prognosen der Unternehmensberatung McKinsey einer der am schnellsten wachsenden Bereiche sein: Bis zum Jahr 2035 werden voraussichtlich 850.000 wasserstoffbetriebene schwere Lkw auf europäischen Straßen unterwegs sein.  Die Unternehmensberatung schätzt, dass dafür mindestens 4.800 Wasserstofftankstellen auf dem gesamten Kontinent erforderlich sein werden. 

Die Einführung von Wasserstoff als saubere Energiequelle ist für die Dekarbonisierung und das Erreichen der globalen Netto-Null-Ziele unerlässlich.  Die verschiedenen Methoden zur Erzeugung und Verteilung von Wasserstoff sind jedoch sehr umstritten, da sie sich in Bezug auf die Höhe der Kohlenstoffemissionen unterscheiden.  Ebenso wichtig für die allgemeine Akzeptanz von Wasserstoffkraftstoff ist es, sicherzustellen, dass das an den Verwendungsort gelieferte Gas den höchsten Qualitäts- und Sicherheitsstandards entspricht und frei von potenziellen Verunreinigungen ist - niemand möchte, dass Wasserstofffahrzeuge aufgrund von verunreinigtem Kraftstoff ausfallen. 

Wasserstoffverunreinigung

Wasserstoff kann entweder in zentralen Erzeugungsanlagen hergestellt werden, in der Regel durch Methan-Dampfreformierung, oder in der Nähe des Verbrauchsortes, wobei Elektrolyseure entweder zur Umwandlung der chemischen Energie des Wasserstoffs in Strom oder zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser für die Abgabe an Fahrzeuge eingesetzt werden.  In jedem Fall bestehen inhärente Risiken durch Verunreinigungen wie Partikel, Spurengase wie Kohlendioxid, Stickstoff und Schwefelwasserstoff sowie Feuchtigkeit.  Diese können die Effizienz und Zuverlässigkeit der Erzeugungssysteme - insbesondere der Protonenaustausch-Brennstoffzellen - und die Reinheit des erzeugten Wasserstoffs beeinträchtigen.

Feuchtigkeitsmessung & ISO 14687-2

Wasser mag zwar der entscheidende Rohstoff für die Elektrolyse sein, aber wenn Wasserdampf in das Wasserstoffgas übergeht, führt dies zu erheblichen Problemen bei der Verteilung, Speicherung und in Fahrzeugsystemen.  So kann es beispielsweise kondensieren und Korrosion auf Metalloberflächen verursachen, während es bei niedrigen Temperaturen einfrieren und Rohre und Ventile in Verteilungssystemen blockieren oder den Betrieb von Kompressoren und die Funktionen von Fahrzeugtankeinheiten und Brennstoffzellenkomponenten beeinträchtigen kann.  In Aerosolform kann es auch als Transportmittel für wasserlösliche Verunreinigungen und als Lösungsmittel für Elemente wie Natrium, Kalium und Kalzium dienen. 

Wasserstofferzeugungs- oder -betankungsanlagen sind in der Regel mit Gastrocknungsanlagen sowie mit Sensoren zur Feuchtigkeitsmessung bzw. Taupunktüberwachung ausgestattet.  Diese sind unerlässlich, um sicherzustellen, dass die Gasreinheit auf einem vorgegebenen Niveau gehalten wird, und um die Anforderungen der Infrastruktur- und Tankstellenbetreiber zu erfüllen.  In Europa ist dies derzeit in der ISO-Norm 14687-2 festgelegt, die besagt, dass die maximal zulässige Wasserkonzentration in Wasserstoff, der für Straßenfahrzeuge verwendet und aus Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) hergestellt wird, 5 μmol mol-1 an der Zapfpistole nicht überschreiten sollte. 

Taupunkt, Messtechnik

Die genaue und konsistente Messung des Feuchtigkeitstaupunktes in Wasserstoff-Brennstoffzellen und Tankstellen ist nicht immer einfach.  Die Komplexität der Systeme, schwankende Betriebsdrücke und -temperaturen und die Entwicklung neuer und kommerziell nutzbarer Erzeugungsanlagen stellen erhebliche Anforderungen an die Leistung, Genauigkeit und Konsistenz von Taupunkt-Überwachungs- und Messgeräten. 

Geräte wie die Easidew Taupunkt-Transmitter von Michell Instruments wurden entwickelt, um den Anforderungen anspruchsvoller Anwendungen gerecht zu werden, und sind in traditionellen komprimierten Erdgasverarbeitungs- und -verteilungsnetzen weit verbreitet.

Die neuesten Easidew-Transmitter sind eigensicher, mit ATEX- und IECEx-Einstufungen, und können optional bei Betriebsdrücken bis zu 52,5 MPa (525 Barg) eingesetzt werden.  Michell verfügt über das Konstruktionswissen und die Fähigkeit, mit ultrahohen Drücken und qualifizierten Drücken über 100 MPa (1000 Barg) zu arbeiten. Dadurch eignet sich das Easidew ideal für Wasserstofftankstellen, wo es online zwischen der Trocknungs- und der Endverdichtungsphase eingebaut werden kann, um die Gasqualität unmittelbar vor der Abgabe zu messen.  Es ist außerdem äußerst genau, wiederholbar, robust, kompakt und einfach zu installieren und wird durch ein umfassendes Angebot an technischen, Anwendungs- und Rekalibrierungsdiensten unterstützt.   

Die Bedeutung der Wasserstoff-Qualitätssicherung

Der Einsatz von Easidew-Taupunkt-Transmittern und Hochleistungsanalysatoren von Michell Instruments ist für eine wirksame Kontrolle der Qualität von Wasserstoff in allen Phasen der Produktion, des Vertriebs und der Verwendung unerlässlich.  Diese Geräte gewährleisten die Effizienz, Konsistenz und Zuverlässigkeit der Produktion.  Ebenso wichtig ist, dass sie auch die Sicherheit und den Seelenfrieden bieten, die für die breite Akzeptanz von Wasserstoff als Kraftstoff der Zukunft bei Handel und Verbrauchern unerlässlich sind. 

Mit über 45 Jahren Erfahrung in der Entwicklung innovativer Präzisionsinstrumente sind wir die Anwendungsexperten für Taupunkt- und Gasmessungen für alle Wasserstoffanwendungen. Wenn Sie Ihre Anforderungen besprechen möchten, kontaktieren Sie bitte unser Team noch heute.

Quellen

Vision Research Reports

McKinsey & Company

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