Gerade in die Zukunft: Neigungssensoren im Wasserstofftransportwesen

Der Einsatz von Wasserstoff als Energieträger spielt eine entscheidende Rolle in der Transformation zu einer nachhaltigeren Energiezukunft. Wasserstofftransport und -lagerung sind wesentliche Komponenten dieser Wertschöpfungskette. Hierbei stellen Sicherheit und Effizienz zentrale Anforderungen dar. Hochpräzise Neigungssensoren können eine Schlüsseltechnologie sein, um diesen Anforderungen gerecht zu werden, da sie die Überwachung und Steuerung von Transportprozessen signifikant verbessern können.

Auf chemischer und physikalischer Ebene ergeben sich Besonderheiten, die zu großen Problemen bei falscher Handhabung führen können.

• So ist z. B. Wasserstoff das leichteste und kleinste Element im Periodensystem. Aufgrund seiner geringen Dichte und seiner hohen Diffusionsrate kann Wasserstoff durch kleine Öffnungen und Poren entweichen, das Risiko von Lecks erhöht sich. Bei Neigungen können sich diese potenziell verstärken, insbesondere wenn der Wasserstoff in flüssiger Form vorliegt.
• Zudem wird flüssiger Wasserstoff bei extrem niedrigen Temperaturen (ca. –253 °C) gelagert und transportiert. Diese Temperaturen erfordern spezielle Materialien und Isolierungen, um Verdampfung und Energieverluste zu minimieren. Eine Neigung kann die Temperaturverteilung innerhalb des Tanks beeinflussen, was zu ungleichmäßigen thermischen Belastungen und potenziell zur Bildung von Rissen oder Undichtigkeiten beiträgt.
• Der sehr geringe Siedepunkt von –252,9 °C stellt eine weitere Gefahr in geschlossenen Behältnissen dar. Bereits geringe Wärmezufuhr kann den Wasserstoff verdampfen lassen. Bei einer Neigung des Transportbehälters kann sich die flüssige Phase von der gasförmigen Phase trennen, was einen ungleichmäßigen Druckaufbau begünstigt, welcher wiederum zu einem Versagen der Dichtungen oder Sicherheitsventile führen könnte.
• Auch die hohe chemische Reaktivität stellt Konstrukteure vor Herausforderungen. In Gegenwart von Katalysatoren kann eine Wasserstoffversprödung auftreten, bei der angrenzende Metalle ihre Duktilität einbüßen. Eine Neigung kann zusätzlich mechanische Spannungen und Verformungen in den Materialien erhöhen, welche in Summe dann die Wahrscheinlichkeit von Rissen und Brüchen in den Transportbehältern verstärkt.
• Wasserstoff gehört zu der Gruppe der hochentzündlichen Stoffe und bildet mit Luft explosive Gemische im Konzentrationsbereich von 4 bis 75 Volumenprozent. Durch eine Neigung könnten lokale Konzentrationen erreicht werden, die innerhalb des Explosionsbereichs liegen. Ein Funke oder eine statische Entladung könnte dann eine Explosion auslösen.

Diese Punkte unterstreichen eindrucksvoll die Notwendigkeit einer präzisen Überwachung und Steuerung der Neigungswinkel im Wasserstofftransportwesen. Passende Sensoren sind weit verbreitet und unterscheiden sich in vielen Punkten. Generell kann man jedoch sagen, dass Neigungssensoren definitionsgemäß den Winkel eines Objekts relativ zur Gravitation messen. Sie arbeiten häufig auf Basis von MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) und arbeiten hochpräzise. In der Regel bestehen sie aus einem Sensorelement, das auf Veränderungen der Neigung reagiert, und einer elektronischen Auswerteeinheit, die die Signale verarbeitet und weiterleitet.

Ein Beispiel dafür ist die neue KAS4000-Serie der Schweizer Produzenten KELAG Künzli, vertrieben durch die Sensorspezialisten von a.b.jödden in Krefeld.

Diese Modellreihe weist die typischen Merkmale der Vorgänger auf und addiert einige Funktionen, die gerade im Transportwesen eine bedeutende Rolle spielen können.

Die Integration von Neigungssensoren im Wasserstofftransportwesen erfordert die Erfüllung spezifischer Anforderungen:

• Präzision und Empfindlichkeit: Sensoren müssen extrem präzise und empfindlich sein, um selbst kleinste Neigungsänderungen zuverlässig zu detektieren.
• Robustheit und Zuverlässigkeit: Da die Sensoren in herausfordernden Umgebungen betrieben werden, müssen sie robust und zuverlässig gegenüber Vibrationen, Temperaturschwankungen und mechanischen Belastungen sein.
• Sicherheitsstandards: Die Sensoren müssen den strengen Sicherheits- und Explosionsschutzanforderungen des Wasserstofftransportwesens entsprechen.

Präzise, zuverlässige Messungen sind mit dieser Art von Sensorik ohne weiteres möglich. Aber auch der Sicherheitsaspekt kann bedient werden:

Der gesamte Aufbau wird in einem Gehäuse aus massiven, schlagfesten POM (Polyoxymethylen) voll vergossen, der M8 Stecker ist geschlossen. So erreicht die Konstruktion bereits die Schutzklasse IP68.Wenn eine Ex-Schutzklasse gewünscht wird, können zusätzliche, dementsprechend zertifizierte Gehäuse genutzt werden. Erhältlich sind diese auch mit optischen Durchlässen. Somit lässt sich das auch dann das neueste Quality of Life Feature der KAS4000-Serie nutzen:

Eine inkludierte Infrarotschnittstelle ermöglicht die Justierung und Kalibrierung ohne Ausbau. So kann der maximal messbare Neigungswinkel von ± 90° genau auf die entsprechende Applikation reduziert werden. So erhöht sich auch die Genauigkeit. Auch eine werksseitige Neueinrichtung wäre mit dieser Technik jederzeit möglich.

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