Wasserstoff ist ein vielversprechender Wegbereiter für den ökologischen Energiewandel, insbesondere in Industriesektoren, in denen die Elektrifizierung eine Herausforderung darstellt. Anu Pulkkinen, Senior Strategy and Business Development Manager bei Vaisala, erörtert den aktuellen Stand der Wasserstoffwirtschaft und die zentrale Rolle genauer Messungen bei der Ermöglichung des ökologischen Wandels.

Unter Wasserstoffwirtschaft versteht man die Nutzung von Wasserstoff zur Dekarbonisierung schwer elektrifizierbarer Wirtschaftssektoren wie Transport, Schiff- und Luftfahrt sowie Schwerindustrie. Wie andere fossile Brennstoffalternativen wird Wasserstoff je nach Art seiner Erzeugung farblich kategorisiert:

• Grüner Wasserstoff wird durch die Elektrolyse von Wasser mit erneuerbarer Energie wie Wind oder Sonne erzeugt.
• Blauer Wasserstoff wird durch die Spaltung von fossilem Erdgas in Wasserstoff und CO2 und die anschließende Abscheidung und Speicherung bzw. Nutzung des erzeugten CO2 produziert.
• Grauer Wasserstoff, die heute am häufigsten erzeugte Form, wird auf die gleiche Weise wie blauer Wasserstoff produziert, mit der Ausnahme, dass das CO2 in die Atmosphäre abgegeben und nicht abgeschieden wird.

Sowohl blauer als auch grüner Wasserstoff werden ihren Beitrag zum Ausbau der Wasserstoffwirtschaft leisten. 
 

Wasserstoff entscheidend beim Energiewandel weltweit

Da Produktionstechnologien weiterentwickelt und neue Anwendungen für Wasserstoff entdeckt werden, macht die Wasserstoffwirtschaft große Fortschritte. Wasserstoff wird bereits in großem Umfang als Rohstoff oder Kraftstoff in Prozessen wie der Ölraffination und der Ammoniak- und Methanolherstellung sowie als Reduktionsmittel in der Stahlproduktion eingesetzt. Dies sind alles Industrien, in denen die Umstellung auf saubereren, grünen Wasserstoff ein bedeutendes Potenzial zur Emissionsreduzierung birgt.

Darüber hinaus wird Wasserstoff in Brennstoffzellen zum Antrieb von Elektromotoren in Bussen und Lastwagen sowie als Energiespeicher und Energiequelle bei der Stromerzeugung eingesetzt. Außerdem könnten Wasserstoff und wasserstoffbasierte Kraftstoffe kohlenstoffarme Lösungen für die Schiff und Luftfahrt bieten, wo die Dekarbonisierung eine besondere Herausforderung darstellt. Weitere Einblicke in die Zukunft von Brennstoffzellen finden Sie in meiner Präsentation Forschung und Entwicklung von Brennstoffzellen – Zukünftige Trends, Faktoren und Anwendungen.
 

Warum zuverlässige Messungen für die Wasserstoffwirtschaft wichtig sind

Bei Vaisala betrachten wir die Dekarbonisierung umfassend. Dazu zählen Prozessoptimierung, Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung (CCUS), Elektrifizierung sowie neue Technologien und Verbesserungen. Die genaue Messung von Parametern wie Feuchte, Kohlendioxid und Methan ist wesentlich für die Förderung der Wasserstoffwirtschaft und die Beschleunigung des ökologischen Energiewandels.

Vaisala Instrumente zur Messung dieser Parameter bieten stabile Onlinemessungen in Echtzeit, ohne dass eine manuelle Probenahme erforderlich ist. Sie bieten zudem eine schnelle Ansprechzeit und sind außergewöhnlich einfach zu installieren und zu warten, mit einem langen Kalibrierintervall und ohne bewegliche Teile oder Verbrauchsmaterialien, die ausgetauscht werden müssen.

Vaisala Messsonden sind in der Lage, ein Gleichstromsignal (4 … 20 mA) und einen Feldbus (Modbus) an das Automatisierungssystem einer Anlage zu senden. Dafür muss keine zusätzliche Software oder Hardware installiert werden. Alle Vaisala Instrumente sind für einen weiten Temperaturbereich geeignet. Darüber hinaus bieten wir Optionen für robusten Wetterschutz und Ex-Zertifizierung, um die Montage in äußerst anspruchsvollen, explosionsgefährdeten Umgebungen zu ermöglichen. Betrachten wir einige Beispiele, wie Vaisala Technologie in wasserstoffbezogenen Anwendungen zum Einsatz kommt.
 

Brennstoffzellen sind auf zuverlässige Feuchtemessungen angewiesen

Wasserstoff wird in einer Vielzahl von Brennstoffzellenanwendungen verwendet, bei denen die Feuchtesteuerung aufgrund des Protonenaustauschmechanismus der Brennstoffzelle wesentlich ist. Im Inneren von Brennstoffzellen befindet sich eine Polymerelektrolytmembran (PEM), die Protonen zwischen Anode und Kathode leitet. Die Feuchte der Reaktantgase – Wasserstoff auf der Anodenseite und Luft auf der Kathodenseite – muss gesteuert werden, um die Membranintegrität zu bewahren.

Wenn die Feuchte auf dem optimalen Niveau gehalten wird, weist die PEM eine hohe Protonenleitfähigkeit und einen geringen elektrischen Widerstand auf. Wenn sie jedoch zu trocken wird, sinkt die Leitfähigkeit drastisch, was die Leistungsabgabe der Zelle stark einschränkt. Andererseits kann übermäßige Feuchte mechanische Schäden an der Membran verursachen, was zu einem erhöhten elektrischen Widerstand und einer verringerten Spannung führt.

Vaisala Technologie unterstützt die Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen seit ihrer Einführung in den frühen 1990er Jahren. Führende Akteure in der Automobil- und Schiffbauindustrie nutzen die Vaisala HUMICAP® Technologie in ihren Entwicklungsprozessen von Brennstoffzellen. Vaisala Feuchtesensoren werden auch vom Technischen Forschungszentrum Finnland VTT häufig in wasserstoffbezogenen Forschungsprojekten eingesetzt. VTT Fachkräfte erforschen sowohl Niedertemperatur-(PEM-) als auch Hochtemperatur-(Festoxid-)Brennstoffzellentechnologien. Vaisala Messgeräte werden vor und nach dem Brennstoffzellenstapel montiert, um die Prozessgasfeuchte zu überwachen und zu steuern. Vaisala Instrumente kommen ebenfalls zum Einsatz, um den Feuchtegehalt der Umgebungsluft bei der Wasserstoffreinigung und -produktion zu messen. 

Erfahren Sie mehr über die Messgeräte, die für Bedingungen mit hoher Feuchte entwickelt wurden. Nehmen Sie an unserer Webinarreihe „Fuel Cell Humidity Lab“ unter vaisala.com/fuelcell teil, um Einblicke in die Feuchte zu erhalten.
 

Messen von CO2 und Feuchte in CCUS-Anwendungen

CCUS wird im weltweiten Streben nach CO2-Neutralität eine unerlässliche Rolle spielen. In Sektoren, in denen Treibhausgasemissionen schwer zu reduzieren sind, könnte CCUS die einzige Zukunft zur Dekarbonisierung darstellen. CCUS wird zudem in energieintensiven Industrien benötigt, die noch auf fossile Brennstoffe angewiesen sind.

Die kontinuierliche Onlinemessung von CO2-Konzentration in ein- und ausgehenden Gasströmen ermöglicht eine Leistungsüberwachung und Prozessoptimierung in Echtzeit in Anlagen, in denen das CO2 abgeschieden wird. Auch bei der Erforschung und Entwicklung neuer Abscheidungstechnologien ist eine genaue CO2- und Feuchtemessung entscheidend, da sie wertvolle Einblicke in die Prozesskinetik und -leistung gibt.

Vaisala Technologien werden zur punktuellen CO2-Abscheidung in der Müllverbrennungsanlage CopenHill in Amager, Dänemark, eingesetzt. Die Anlage wandelt jedes Jahr 560.000 Tonnen Abfall in Strom, Wärme und Asche um. Der Kohlenstoffabscheidungsprozess basiert auf der Vaisala Multigassonde MGP261 zur Messung der Feuchte und der Konzentration des abgeschiedenen CO2. Das abgeschiedene CO2 kann dann zusammen mit Wasserstoff zur Herstellung grüner Brennstoffe und Chemikalien genutzt werden. Weitere Informationen unter vaisala.com/CCUS.
 

Messen von CO2, Methan und Feuchte in SOEC-Anwendungen

Mithilfe der Festoxidelektrolyse-(SOEC-)Co-Elektrolyse werden Wasserstoff und Methan aus CO2, Wasser und Strom erzeugt. Obwohl sich die Technologie noch im Pilotanlagenstadium befindet, wird sie voraussichtlich eine wichtige Rolle bei der Umstellung Japans auf 90 % erneuerbares Gas bis 2050 spielen.

Das eingesetzte CO2 kann aus Industrieemissionen, direkt aus der Atmosphäre oder aus Prozessen zur Aufbereitung von Biogas zu Biomethan abgeschieden werden. Der SOEC-Prozess nutzt typischerweise erneuerbare Energien und benötigt keine Edelmetalle oder Seltenerdelemente, was seine Umweltbelastung verringert.

Genaue CO2-Messungen in Kohlenstoffabscheidungsprozessen tragen dazu bei, die Effizienz des SOEC-Prozesses zu steigern und die Treibhausgasemissionen zu senken. Auch angesichts zunehmend strengerer Vorschriften wird dies immer wichtiger.

Die Vaisala Multigassonde für Methan, Kohlendioxid und Feuchte MGP261 kommt in SOEC-Co-Elektrolyseprozessen zum Einsatz. Rohstoffe (CO2, Feuchte) und Produkte (Methan) sollen in Echtzeit gemessen werden, um die Effizienz zu steigern und den Prozess zu optimieren. Erfahren Sie mehr über das Instrument unter vaisala.com/MGP261.
 

Industrielle Messungen im Mittelpunkt des ökologischen Wandels

Erneuerbare Energien und saubere Energieerzeugung stehen im Mittelpunkt der industriellen Dekarbonisierung und des ökologischen Wandels. Die innovativen Technologien und Prozesse, die den Wandel ermöglichen, erfordern zuverlässige Messungen. Vaisala Technologie trägt dazu bei, die Dekarbonisierung mit bewährten Instrumenten zu beschleunigen. Diese bieten zuverlässige und stabile Echtzeitmessungen von Feuchte, Kohlendioxid und Methan. Gemeinsam können wir die Wasserstoffwirtschaft fördern und einen echten nachhaltigen Wandel ermöglichen.