Fraunhofer IPM entwickelt neues Messsystem für Erdgas mit Wasserstoff-Anteilen

© Fraunhofer IPMFreiburg – Die Qualität von Erdgas unterliegt starken Schwankungen, die in Zukunft durch den Einsatz von Wasserstoff noch zunehmen werden. Das Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik IPM hat zusammen mit der RMA Mess- und Regelungstechnik GmbH & Co KG ein neues Messsystem entwickelt, das zudem den Wasserstoff-Anteil im Gas erkennt.

Mit einer zunehmenden Einspeisung von Wasserstoff ins Gasnetz stellt sich die Frage der Qualität der Gaszusammensetzung, aber auch die der korrekten Abrechnung. Voraussetzung ist eine genaue Analyse des Gases in kurzzeitigen Intervallen. Unter der Leitung von Dr. Carsten Bolwien ist für diesen Zweck am Fraunhofer IPM ein neues Messsystem entwickelt worden

Gaszusammensetzung für Verbraucher und Industrie von Bedeutung
Nicht nur für Verbraucher ist die Gaszusammensetzung eine wichtige Größe, denn der Gaspreis wird aus dem gelieferten Volumen und dem Brennwert bestimmt. In der Industrie kommt ein weiterer Aspekt hinzu: Die Gaszusammensetzung beeinflusst den Verbrennungsprozess. Steigt beispielsweise der Anteil von Wasserstoff im Gasgemisch, sinkt der Brennwert. Wird der Gasstrom dann beispielsweise in einem Ofen nicht angepasst, sinkt dessen Temperatur. Solche Schwankungen können Qualitätsprobleme nach sich ziehen, beispielsweise bei der Glasschmelze.

Neu: Infrarot-Spektroskopie statt Gaschromatographie
Die Erdgasqualität wird heute in der Regel mithilfe von Gaschromatographen an Verteilerstellen im Gasnetz oder direkt beim Großverbraucher bestimmt. Das hat einige Nachteile: Gaschromatographen sind teuer, vergleichsweise langsam und aufwändig im Betrieb. Das Franhofer IPM hat im Auftrag der RMA Mess- und Regeltechnik GmbH & Co KG entwickelt das Brenngas-Messsystem EcoSpectro entwickelt. Dieses Messsystem bestimmt die Hauptbestandteile von Erdgas spektroskopisch: Ein Infrarot (IR)-Spektrometer erkennt die prozentualen Anteile von Methan, Ethan, Propan, Butan und längeren Kohlenwasserstoffketten.

Weitere Vorteil des IR-Spektrometers sind die, dass dieses im Sub-Minuten-Takt misst, über Standzeiten von mehreren Monaten ohne Neukalibrierung arbeitet und ohne Spülgase auskommt. Analysiert werden die Spektren mithilfe chemometrischer Verfahren. Auf diese Weise lassen sich Gaskonzentrationen von über 70 Prozent bis hinunter in den 100-ppm-Bereich (parts per million) bestimmen, teilte Fraunhofer mit.

Zusatz-Sensorik für Wasserstoff-Anteile
Für den Nachweis regenerativ erzeugter Gase wurde das IR-Spektrometer im Rahmen des Projekts „Gas-Effizienz“ mit einer Zusatz-Sensorik zur Bestimmung des Wasserstoffanteils ausgestattet. Das Spektrometer wurde um einen Wärmeleitfähigkeitssensor ergänzt, da Wasserstoff aufgrund seiner Molekülstruktur nicht absorptionsspektroskopisch mit Infrarotlicht detektiert werden kann. Weil die Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff um einen Faktor sieben größer ist als die Wärmeleitfähigkeit aller anderen Brenngase inklusive Luft, reagiert der Sensor sehr empfindlich auf Beimischungen von Wasserstoff.

Erfolgreicher Feldtest im Gaslabor
Das modular aufgebaute Sensorsystem wurde im Gaslabor des Fraunhofer IPM und anschließend im Feldtest an einem Erdgas-Bypass des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE getestet. Insgesamt 125.000 Messungen wurden durchgeführt, zunächst nur für Erdgas und dann mit Wasserstoff-Beimischung. Die reinen Erdgas-Ergebnisse stimmten über einen Zeitraum von mehreren Monaten sehr genau mit den vom Erdgaslieferanten zur Verfügung gestellten Brennwert-Tagesmittelwerten überein, auch wenn es im Minutenbereich zu Schwankungen kam. Zu den Zeitpunkten der Wasserstoff-Einspeisung konnte der geänderte H2-Gehalt mit Genauigkeiten im 100-ppm-Bereich bestimmt werden. Das System bietet sich damit insbesondere als schnell reagierendes Messsystem für Power-to-Gas-Anlagen oder Verbraucher hinter einer Wasserstoff-Einspeisungsstelle an, so die Fraunhofer Forscher

Über das Projekt „Gas-Effizienz“
Das Projekt „Gas-Effizienz – schnelle Messtechnik zur effizienten Nutzung regenerativ erzeugter Gase“ wurde durch das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau Baden-Württemberg und aus Mitteln des Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) in der Förderperiode 2014 bis 2020 mit dem Leitmotiv „Innovation und Energiewende“ gefördert.