H2Sense - Elektronisches Sensorsystem zur Überwachung von Druck und Wasserstoffkonzentrationen in Verteilnetzen; Teilprojekt 2 (FE): Entwicklung, Aufbau, Test und Optimierung einer Sensorschaltung zur ohmsch-kapazitiven Messung von Druck und Wasserstoffkonzentration in Wasserstoffverteilungsnetzen

Abstract

Die zunehmende Beimischung von Wasserstoff in bestehende Erdgasverteilnetze erfordert neue Sensorsysteme, die eine präzise, kontinuierliche und abrechnungsrelevante Erfassung sowohl der Wasserstoffkonzentration als auch des Systemdrucks ermöglichen. Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines integrierten Sensors, der Wasserstoffanteile in Gasgemischen bis 20 % H₂ zuverlässig detektiert, den aktuellen Systemdruck misst und beide Größen über ein gemeinsames elektrisches Nutzsignal in Echtzeit auswertbar bereitstellt. Als innovativer Ansatz wurde eine modifizierte Wien-Robinson-Brückenschaltung eingesetzt, die erstmals als Mehrgrößen-Messprinzip zur simultanen Übertragung mehrerer physikalischer Messgrößen genutzt wurde. Das Sensorsystem wurde schrittweise entwickelt, experimentell validiert und in mehreren Optimierungsschleifen hinsichtlich Temperaturstabilität, Signalaufbereitung und Integrationsfähigkeit verbessert. Die Erprobung erfolgte mit verschiedenen Testgasen, ergänzt durch Feldtests mit eigens entwickelter FFT-basierter Auswertesoftware. Die wichtigsten Projektergebnisse sind zusammengefasst die reproduzierbare Wasserstoffdetektion in Stickstoff-Wasserstoff- sowie Ammoniak-Wasserstoff-Gemischen, eine echtzeitfähige Auswertung der Messsignale mithilfe einer FFT-basierten Softwarelösung, eine hohe Messstabilität durch aktive Temperaturkompensation und die Entwicklung eines pipelinefähigen Sensoraufbaus mit austauschbarer Sensoreinheit, welche nur durch die Enge und erfolgreiche Zusammenarbeit der Projektpartner, insbesondere bei der Entwicklung der Auswerteelektronik und -software zustande kam. Damit konnte gezeigt werden, dass das entwickelte Sensorsystem eine technisch tragfähige Grundlage für zukünftige Anwendungen in Wasserstoff-Erdgas-Verteilnetzen darstellt.