HyQ2Ra - Erforschung und Demonstration eines Raman-Sensors zur messtechnischen Überwachung der Gasqualität und des Massendurchflusses für wasserstoffgespeiste Brennstoffzellensysteme; Teilvorhaben: Erforschung und Erprobung der Kalibrierung der Raman-Sensortechnologie für Wasserstoff-Kraftstoffe

Abstract

Ziel des Verbundvorhabens HyQ²Ra war die Erforschung, Entwicklung und praxisnahe Demonstration einer neuartigen, auf Raman Spektroskopie basierenden Messtechnik zur gleichzeitigen inline und online Erfassung der Wasserstoffqualität und des Wasserstoffmassenflusses in wasserstoffgespeisten Brennstoffzellensystemen. Hintergrund des Vorhabens war der zunehmende Einsatz von Wasserstoff als Energieträger, insbesondere im Mobilitätssektor, der mit sehr hohen Anforderungen an die Gasreinheit gemäß DIN ISO 14687 sowie an die Genauigkeit und Rückführbarkeit der Mengenmessung bei Wasserstoffbetankungen verbunden ist. Der Stand der Technik sieht bislang überwiegend zeitverzögerte ex situ Laboranalysen zur Qualitätsüberwachung sowie den Einsatz konventioneller Durchflussmesser zur Mengenbestimmung vor, die unter den extremen Druck und Temperaturbedingungen von Wasserstoffanwendungen nur eingeschränkt geeignet sind. Vor diesem Hintergrund verfolgte das Projekt einen integrativen wissenschaftlich technischen Ansatz, bei dem die Raman Spektroskopie aufgrund ihrer molekülspezifischen Signaturen zur simultanen qualitativen und quantitativen Analyse von Wasserstoff und relevanten Verunreinigungen eingesetzt wird. Zur gezielten Steigerung der Sensitivität wurde die Raman Messung unter erhöhten Gasdrücken untersucht. Zentrale Forschungsschwerpunkte bildeten die Analyse druck und temperaturabhängiger Effekte auf Raman Signale, die Entwicklung einer hochdruckfesten und wasserstoffkompatiblen Messzelle, der Aufbau einer umfangreichen Stoffdatenbank für relevante Verunreinigungen gemäß DIN ISO 14687 sowie die Untersuchung eines neuartigen Ansatzes zur Bestimmung des Wasserstoffmassenflusses auf Basis der erfassten Molekülanzahl. Im Verlauf des Vorhabens wurden umfangreiche Laboruntersuchungen durchgeführt, bei denen Sensitivität, Linearität, Reproduzierbarkeit und Messunsicherheit der entwickelten Messtechnik systematisch analysiert wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass relevante Verunreinigungen im Wasserstoff grundsätzlich detektierbar sind und dass das Raman Signal unter hohem Druck eine signifikante Sensitivitätssteigerung aufweist. Parallel dazu konnte die prinzipielle Machbarkeit einer Raman basierten Massenflussmessung experimentell nachgewiesen werden. Die entwickelte Messtechnik wurde abschließend in einem Feldversuch an einer realen Wasserstofftankstelle unter Praxisbedingungen eingesetzt und mit etablierten Messverfahren verglichen. Die Feldversuchsergebnisse bestätigten die grundsätzliche Praxistauglichkeit und das Innovationspotenzial des Messkonzepts sowohl für die Detektion von Verunreinigungen im Wasserstoff als auch zur Bestimmung des Massenflusses. Das Vorhaben leistet einen wesentlichen Beitrag zur Sicherstellung der Wasserstoffqualität, zur korrekten und potenziell rückführbaren Erfassung der abgegebenen Wasserstoffmenge sowie zur Erhöhung der Akzeptanz wasserstoffbasierter Mobilitätslösungen. Die Projektergebnisse unterstützen die Ziele der nationalen Wasserstoffstrategie und des 7. Energieforschungsprogramms durch die Entwicklung einer innovativen Messtechnik mit Anwendungspotenzial entlang der gesamten Wasserstoffwertschöpfungskette, von der Erzeugung über Transport und Speicherung bis hin zur Nutzung. Darüber hinaus schafft das Projekt eine belastbare Grundlage für weiterführende Forschungs und Entwicklungsarbeiten sowie für eine mögliche spätere industrielle Umsetzung der Technologie.