Wasserstoffspeicherung und Wasserstofftransport

Große Mengen an Wasserstoff, die nicht vor Ort produziert werden können, müssen zukünftig über Pipelines zu ihren Verbrauchern transportiert werden. Bei Kontakt mit Wasserstoff kann es allerdings zur sogenannten Wasserstoffversprödung der Rohrleitungsmaterialien und damit schnellerem Risswachstum kommen. Um derartige Korrosionserscheinungen frühzeitig erkennen und entsprechende Maßnahmen einleiten zu können, bedarf es einer zuverlässigen Überwachung der Pipelines.

Eine Möglichkeit bieten dabei ultraschallbasierte Monitoringsysteme. Das Fraunhofer IKTS hat ein Sensormanschettenkonzept entwickelt, mit dem Fehlstellen kontinuierlich detektiert und die Restwandstärke bei flächenhaft auftretender Korrosion an horizontal, vertikal sowie über- und unterirdisch verlegten Rohrleitungen bestimmt werden können. Dafür wird die Sensormanschette dauerhaft an der Rohrleitung angebracht. Die Installation ist einfach und erfordert in der Regel keine Änderungen am Leitungssystem. Zudem kann das Überwachungssystem jederzeit durch Vernetzung erweitert werden.

Die in die Manschette integrierten piezokeramischen Sensoren senden geführte Ultraschallwellen in die Rohre. Bei der Ausbreitung der Ultraschallwellen kommt es an Rohrleitungsschäden zu Streuungen und Reflexionen. Anhand dieser können durch die integrierte Signalverarbeitung Fehlstellen identifiziert und lokalisiert werden. Unnötige Erdausgrabungsarbeiten, Beschichtungsentfernungen oder Gerüstinstallationen lassen sich so vermeiden. Da sich geführte Ultraschallwellen in Rohrleitungen mit geringer Dämpfung über weite Entfernungen ausbreiten, können längere Rohrabschnitte von einem Standort aus dauerhaft überwacht werden. Darüber hinaus ist es möglich, schwer zugängliche Rohrleitungen regelmäßig zu prüfen. Je nach Umweltbedingungen und Anforderungen können unterschiedliche Sensoren verschiedener Temperaturklassen oder Sonderanfertigungen für explosionsgeschützte Bereiche angeschlossen werden. Die Energieversorgung der piezokeramischen Sensoren und das Auslesen der Sensordaten erfolgen kabellos. Dadurch werden Steckverbindungen am Messsystem komplett vermieden, was zu einem zuverlässigen Betrieb des Systems beiträgt.

Aufgrund der hohen Entflammbarkeit von Wasserstoff in Luft, sollen zuverlässige Sensorsysteme sicherstellen, dass sich Wasserstoff und Methan verlässlich detektieren lassen. Dafür entwickelt das Fraunhofer IKTS keramische Druck-, Strömungs- und Temperatursensoren auf Basis der LTCC-Technologie. Keramische Werkstoffe bieten im Vergleich zu Stählen eine hohe Stabilität gegen Wasserstoffversprödung, eine besondere Sensitivität sowie einen zuverlässigen Betrieb in Wasserstoffumgebung. Zudem bietet die eingesetzte LTCC-Technologie sehr komplexe Strukturierungsmöglichkeiten und einen dreidimensionalen Aufbau der Sensoren. Dies garantiert eine hohe Flexibilität in Design und Geometrie der im Sensor integrierten Elemente wie Kammern, Membranen oder Kanäle. Somit lassen sich Gassensoren einfach miniaturisieren und an spezielle Einsatzszenarien anpassen.

Einige Teile der bestehenden Erdgasinfrastruktur wie Erdgastankstellen vertragen lediglich Wasserstoffkonzentrationen von ein bis zwei Volumenprozent. Daher ist bei der Wasserstoffverteilung über das bestehende Erdgasnetz eine vorgeschaltete Abtrennung von Wasserstoff aus dem Erdgas nötig. Das Fraunhofer IKTS entwickelt hierfür Trennverfahren auf Basis von Kohlenstoffmembranen, die im Vergleich zur Druckwechseladsorption oder kryogenen Trennverfahren eine kostengünstige Variante darstellen und gegenüber harschen Umgebungsbedingungen und Erdgasbegleitstoffen wie Schwefelwasserstoff resistent sind. Kohlenstoffmembranen sind chemisch inert und zeigen eine deutlich bessere Permeabilität und Selektivität als Polymermembranen. In einem einstufigen Membranverfahren können aus Wasserstoff-Erdgas-Gemischen bis zu neunzig Prozent Wasserstoff abgetrennt werden. Eine weitere Reduzierung des Wasserstoffanteils im Erdgas auf weniger als zwei Prozent lässt sich mit einer vergrößerten Membranfläche oder einem zweistufigen Membranverfahren erzielen.

Bei der Auswahl von Materialien für Wasserstoffanwendungen ist dessen Einfluss – unabhängig ob flüssig oder gasförmig – auf die Materialeigenschaften zu berücksichtigen. Zur Untersuchung der Wechselwirkungen verfügt das Fraunhofer IKTS über modernste 3D-Nanoanalytikmethoden, um Größenskalen vom Sub-Nanometer- bis in den Zentimeterbereich abzudecken. So lassen sich beispielsweise 3D-Strukturen von hierarchischen Materialen für die elektrokatalytische Wasserstofferzeugung in Nanometerauflösung darstellen und charakterisieren. Darüber hinaus ist es möglich, Informationen über die chemische Zusammensetzung, kristallografische Eigenschaften, Bindungszustände, mechanischen Eigenschaften und Grenzflächeneigenschaften zu ermitteln.

Prozesse wie die Wasserstofffreisetzung in Speichermaterialien oder Rissausbreitung in Rohrleitungen, bei denen die Materialien Veränderungen unterliegen, können in-situ und operando zeitabhängig initiiert und mikroskopisch abgebildet werden. So lassen sich potenzielle Versagensmechanismen direkt beobachten oder Wasserstoffspeicherungs- und Wiederfreigabevorgänge optimieren.