Wasserstoff gilt als Medium der Zukunft, gleichzeitig stellt es die Industrie und andere Anwender vor besondere Schwierigkeiten, da die extrem kleinen Wasserstoffmoleküle selbst Edelstahl durchdringen können – die kleinen und sehr beweglichen Moleküle diffundieren einfach hindurch. Abhängig vom eingesetzten Material besteht die Gefahr, dass sich der Wasserstoff im Metall selbst einlagert und so dessen mechanische Eigenschaften verändert. Unter Belastung können dann Risse oder Brüche entstehen. Bei Messgeräten für Wasserstoffanwendungen ist daher die Verwendung geeigneter Materialien besonders wichtig.
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In einigen Anwendungen werden Druckmittler aus wasserstoffbeständigem Material eingesetzt. Doch auch hier kommen die besonderen Eigenschaften von Wasserstoff zum Tragen: Die Wasserstoffatome diffundieren durch die dünne Membran des Druckmittlers hindurch und gelangen so in die dahinter gelagerte Druckübertragungsflüssigkeit, in der sich Gasperlen bilden können – eine Nullpunktverschiebung und daraus resultierende Messfehler sind die Folge.
Beständige Druckmessumformer
Labom hat mehrere Druckmessumformer-Serien für den Wasserstoffeinsatz entwickelt, die sowohl in standardisierten als auch in anwendungsdefinierten Wasserstoffprozessen eingesetzt werden können. Die Messgeräte der Serien Pascal CV4, Pascal Ci4 oder auch der Compact CA16 decken je nach Ausstattung des einzelnen Druckmessumformers einen Messbereich zwischen -1 bis 1050 bar ab, sind bis -40 °C einsetzbar und werden außerdem mit Ex- und teilweise SIL-Zertifizierung angeboten. Als messstoffberührte Materialien wird wasserstoffgeeigneter Edelstahl verwendet sowie ebenfalls wasserstoffgeeignete Kunststoffe wie NBR, EPDM oder PVDF.
Einsatz Wasserstofftankstelle
Ein zukunftsträchtiges Anwendungsgebiet von wasserstoffgeeigneten Druckmessgeräten sind Wasserstofftankstellen. Nach wie vor stellen lange Strecken für Elektroautos ein Problem dar. Ganz anders Autos mit Wasserstoffantrieb – ihre Reichweite pro Tankfüllung ist deutlich größer und auch das Tanken selbst kann innerhalb weniger Minuten erledigt werden. Zurzeit ist Skandinavien Vorreiter bei dieser innovativen Technologie – doch auch in Deutschland gewinnt das Thema immer mehr an Bedeutung. Die in Wasserstofftankstellen eingesetzten Messgeräte brauchen hochsensible und extrem zuverlässige Bauteile und Komponenten – beispielsweise um den Druck in den einzelnen Tanks zu messen. Ein skandinavischer Hersteller von Wasserstofftankstellen setzt dabei seit Jahren auf einen Druckmessumformer von Labom. Besonders die Zuverlässigkeit der Geräte hat den Hersteller überzeugt: Die Geräte funktionieren praktisch fehlerfrei und müssen so gut wie nie ausgetauscht werden.
Vergoldete Membranen
Um die unerwünschten Effekte der kleinen Wasserstoffmoleküle zu vermeiden, können Sensoren in Messgeräten oder Druckmittlermembranen an wasserstoffgeeigneten Messgeräten vergoldet werden. Aufgrund seiner besonderen Gitterstruktur ist Gold für die winzigen Wasserstoffatome nahezu undurchlässig. Die Diffusionsrate von Wasserstoff in Gold ist um mehrere Größenordnungen kleiner als in Edelstahl, womit es als wasserstoffdicht betrachtet werden kann. Grundsätzlich gilt: Je enger die Atome angeordnet sind, desto höher die Undurchlässigkeit für die winzigen Wasserstoffatome. Das Edelmetall hält also die Wasserstoffatome eindeutig besser zurück als andere Materialien – doch der Einsatz von Gold ist teuer. Zudem war es lange Zeit kaum möglich zu ermitteln, wann sich eine vergoldete Membran tatsächlich lohnt und wann eine herkömmliche Edelstahlmembran ausreicht.
Tool berechnet Standzeit
Die Entwicklungsabteilung von Labom hat ein Tool entwickelt, mit dessen Hilfe der Einsatz von Wasserstoffgeräten deutlich effizienter gestaltet werden kann: Die von ihr abgeleitete Formel rechnet die Standzeit eines Druckmessgerätes mit und ohne Goldbeschichtung aus. Mithilfe von Informationen zu Temperatur, Druck und Wasserstoffanteil in der Anlage wird berechnet, wie lange es dauert, bis Wasserstoff ausperlen und die Messung stören würde. Die Temperatur ist dafür unter anderem entscheidend, da eine starke Temperaturabhängigkeit vorliegt – dieser Aspekt wurde deshalb auch in der Formel nach dem Ansatz von Arrhenius besonders berücksichtigt. Daraus lässt sich dann ableiten, wann sich eine vergoldete Membran lohnt und welche Stärke sinnvoll ist. Der Kunde bekommt so immer die für ihn optimale Lösung bezüglich Standzeit und Kosten. Das Ergebnis kann beispielsweise so aussehen: Bei einem für das Medium Wasserstoff verwendeten Druckmessgerät beträgt die Standzeit mit einer Edelstahlmembran bei 40 °C und 1 bar Relativdruck nur gut ein Jahr. Mit einer Goldbeschichtung erreicht dasselbe System jedoch eine Standzeit von knapp 50 Mio. Jahren – zumindest, wenn man lediglich die Auswirkungen des Wasserstoffs betrachtet. Der Temperatureinfluss macht sich auch hier wieder besonders deutlich bemerkbar: Bei 200 °C und 1 bar Relativdruck würde die Standzeit nur noch etwa acht Jahre betragen. Mit dem Wasserstoff-Tool können Anwender und Betreiber nun fundiert entscheiden, welches Material für eine Membran sowohl technisch sinnvoll als auch wirtschaftlich ist.
Mithilfe des Wasserstoff-Tools und der zahlreichen unterschiedlichen Prozessanschlüsse von Labom können so ganz individuell Druckmessgeräte für den Wasserstoffeinsatz definiert und produziert werden.
Labom Mess- und Regeltechnik GmbH, Hude
Halle 11.1, Stand F46
Autorin: Dr. Christine Schweder
Projektleiterin,
Labom
