Sensorik für den sicheren Einsatz von Wasserstoff

Die Sicherheit von Leitungen, Speichern und Anschlussstellen ist für den Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur essenziell, da das unsichtbare und geruchlose Gas leicht brennbar und explosiv ist. Das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg hat Sensor- und Messsysteme entwickelt, die selbst kleinste Mengen Wasserstoff zuverlässig detektieren und Leckagen schnell aufspüren.

Diese Forschungsarbeiten waren Teil des Wasserstoff-Leitprojekts TransHyDE des Bundesministeriums für Bildung und Forschung. Hier arbeiten Wissenschaft und Industrie gemeinsam an Lösungen für den Transport und die Speicherung von Wasserstoff. Das Fraunhofer-Team um Dr. Carolin Pannek leitete das Teilprojekt Sichere Infrastruktur. Da Wasserstoff in unterschiedlichen Anwendungen genutzt wird, entwickelten die Forschenden drei verschiedene Sensorsysteme.

Der erste Sensor basiert auf dem photoakustischen Effekt. Licht regt das Gas zum Schwingen an und erzeugt eine Schallwelle. Eine Membran im Sensorgehäuse lässt Wasserstoff eindringen, wodurch sich die Resonanzfrequenz verändert. Diese Veränderung erfassen Mikrofone, sodass sich austretender Wasserstoff aus Tanks oder Leitungen detektieren lässt. Der Sensor könnte wie ein Rauchmelder in Räumen verteilt oder zu einem Sensornetzwerk verbunden werden. Zudem erkennt das System Verunreinigungen im Wasserstoff, die beispielsweise Brennstoffzellen schädigen könnten.

Ein weiteres Sensorsystem ist ein Laserspektrometer zur Detektion von Ammoniak (NH₃), das als Wasserstoffträger dient. Die Speicherung und der Transport sind mit Ammoniak einfacher, jedoch ist es hochgiftig, weshalb Lecks schnell erkannt werden müssen. Das Spektrometer absorbiert Ammoniak-spezifische Wellenlängen und zeigt sofort ein Ergebnis an. Das Gerät kann per Hand gehalten oder auf Roboter und Drohnen montiert werden, um Tanks und Leitungen aus bis zu 50 Metern Entfernung zu prüfen.

Das dritte System ist ein Raman-Spektrometer, das auf der Wechselwirkung von Licht und Materie basiert. Durch die sogenannte Raman-Verschiebung erhält jede Substanz einen spezifischen spektralen Fingerabdruck. Das Fraunhofer IPM entwickelte einen filterbasierten Raman-Sensor, der gezielt Wasserstoff in komplexen Medien erkennt. Dank kostengünstiger Komponenten wie CMOS-Kameras ist das Gerät mobil und kann in der Energiewirtschaft zur Wasserstoff-Analyse eingesetzt werden.

Alle drei Sensorsysteme sind flexibel anpassbar. Fraunhofer-Expertinnen und -Experten beraten Industriekunden, Energieversorger und Betreiber von Wasserstoffprojekten zur sicheren Nutzung. Pannek ist überzeugt: „Der Startschuss für den Ausbau der Wasserstoffwirtschaft kann fallen.“