CHEMIE



 Inline-Refraktometer unterstützt Erzeugung von Öko-Wasserstoff 

Echtzeitüberwachung von Chemikalien 

Vaisala

Die Erzeugung von Öko-Wasserstoff durch Wasserelektrolyse stellt eine spannende Möglichkeit zur Dekarbonisierung dar. Die Eigenschaften und die Stabilität der Komponenten des Elektrolyseurs beeinflussen jedoch maßgeblich die Leistung von Elektrolyseuren. Ein Ingenieurteam in Deutschland arbeitet daher an der Entwicklung eines Prüfstands für die alkalische Elektrolyse.

Ein entscheidender Faktor für den Erfolg dieses Projekts ist die Fähigkeit, Elektrolyte in einer äußerst aggressiven Lösung genau und zuverlässig zu überwachen. Nach einer weltweiten Suche nach geeigneten Technologien stellte das Forschungsteam fest, dass Vaisala Inline-Refraktometer die anspruchsvollen Anforderungen erfüllen konnten. Zu den Projektpartnern gehören der Ingenieurdienstleister iChemAnalytics, der Spezialist für Galvanotechnologie Dr.-Ing. Max Schlötter und der Beschichtungsexperte WHW Hillebrand.

Wasserstoff eröffnet eine spannende Gelegenheit, da die Welt bestrebt ist, ihre Energieinfrastruktur im Zuge des Netto-Null-Ziels zu dekarbonisieren. Dies liegt daran, dass Wasserstoff einen hohen Heizwert aufweist und seine Verbrennungsprodukte keine Treibhausgase enthalten, die als Hauptverursacher der globalen Erwärmung gelten. Allerdings wird Wasserstoff derzeit nach wie vor überwiegend aus fossilbrennstoffintensiven Prozessen erzeugt, wodurch sogenannter „grauer Wasserstoff“ entsteht, der weltweit für etwa 2 Prozent der CO₂-Emissionen verantwortlich ist.

Wenn Wasserstoff durch die Elektrolyse von Wasser erzeugt wird, die mit erneuerbaren Energien betrieben wird, bietet der entstehende Öko-Wasserstoff eine bedeutende Möglichkeit für die Dekarbonisierung. Es besteht also ein großes Interesse an effizienten und nachhaltigen Elektrolyseuren.

Alkalische Wasserstoffelektrolyseure nutzen elektrischen Strom, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen, wobei eine flüssige alkalische Lösung wie Kaliumhydroxid (KOH) als Elektrolyt eingesetzt wird. Typischerweise besteht die Lösung aus 15 bis 30 Prozent KOH, was sehr aggressiv ist. Der Elektrolytbefindet sich zwischen zwei Elektroden, normalerweise auf Nickelbasis, getrennt durch ein poröses Diaphragma oder eine Membran. Wasserstoffgas wird an der Kathode und Sauerstoffgas an der Anode erzeugt. Das Diaphragma trennt die Gase und leitet Hydroxidionen von der Kathode zur Anode, um den Stromkreis zu schließen. 
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Die Arbeiten wurden 2023 aufgenommen; die Fertigstellung ist für Mitte 2026 geplant. Die Hauptziele waren:


  1. Entwicklung eines funktionierenden, vollautomatisierten Prüfstands für Elektrolysestapel
  2. Entwicklung einer neuen Elektrodenbeschichtung, die über 80 000 Stunden stabil ist
  3. Bewertung von Prototypbeschichtungen unter verschiedenen Arbeitsbedingungen.

Warum die Elektrolytstärke messen?

Jede Seite der Membran im Elektrolyseurprüfstand enthält eine 30%ige KOH-Lösung – eine hochkonzentrierte, starke und korrosive alkalische Flüssigkeit, die zu 30 Prozent aus Kaliumhydroxid und zu 70 Prozent aus Wasser besteht. Während der Elektrolyse ändert sich das Verhältnis von KOH Prozent auf jeder Seite der Membran. Das ist aus mehreren Gründen wichtig. Die Lebensdauer der Komponenten und die Phasengrenzreaktionen innerhalb der Zellen verändern sich negativ, was auch einen direkten Einfluss auf die Zellspannung, Alterungseffekte und die Reaktionseffizienz hat.


Elektrolytmesstechnologie

Das Projektteam hat weltweit nach einer Technologie gesucht, die in einer so herausfordernden Umgebung angewendet werden kann und genaue sowie zuverlässige KOH-Messungen bereitstellt. Die Fähigkeit, in 30 Prozent KOH bei Temperaturen bis zu 80 Grad Celsius und Drücken bis zu 5 bar (bei Inline-Montage) zu funktionieren, schlossen die meisten Optionen aus und ließen nur manuelle Laboranalysen oder eine geringe Zahl an Technologien auf Basis von Refraktometrie oder Ultraschall zu.

Kristian Macke, COO von iChemAnalytics, erläutert die Entscheidung für die Verwendung der Vaisala Inline-Refraktometer: „Laboranalysen wurden sofort ausgeschlossen, da aufgrund des Zeitaufwands zur Gewinnung der Ergebnisse eine Prozesssteuerung und damit Effizienz nicht möglich gewesen wären.“ Das Projektteam bewertete daher die kontinuierlichen Messoptionen. „Die Unterstützung durch den Vaisala Händler Bühler Technologies hat uns besonders beeindruckt“, erklärt Kristian Macke. „Sie haben uns vorübergehend ein Vaisala Refraktometer zur Verfügung gestellt, damit wir einen schnellen Test in unserem Labor durchführen konnten. Sie stellten CAD-Dateien bereit, um die Integration des Vaisala Geräts in unseren Prüfstand zu vereinfachen, und bestätigten schriftlich die dauerhafte KOH-Beständigkeit des Refraktometers.“

Auf dem Prüfstand wurden zwei Vaisala Inline-Refraktometer PR53AC montiert, um Echtzeitmessungen der KOH-Konzentration auf beiden Seiten der Membran zu liefern. Kristian Macke sagt: „Das war eine bedeutende Investition für uns, aber wir sind vollkommen zufrieden mit der Leistung der Vaisala Sonden. Sie wurden werkskalibriert geliefert und waren nahezu sofort einsatzbereit. Alles, was wir tun mussten, war, deren 4–20-mA-Ausgang in unserer SPS zu integrieren.“

Vaisala Refraktometer messen den Brechungswinkel des Lichts im Prozessmedium unter Verwendung einer LED-Lichtquelle. Ein Sensor erfasst kontinuierlich den kritischen Winkel, bei dem die Totalreflexion des Lichts beginnt; dieser steht in direktem Zusammenhang mit der KOH-Konzentration. Vaisala Refraktometrie kommt in anspruchsvollen Industrieprozessen – von Chemikalien, Zellstoff und Papier bis hin zu Lebensmitteln und Arzneimitteln – zum Einsatz, wo Genauigkeit, Chemikalienbeständigkeit und Betriebszeit entscheidend sind.

Neben ihrer Fähigkeit, unter anspruchsvollen Bedingungen zu funktionieren, besteht einer der Hauptvorteile der Vaisala Refraktometer darin, dass sie nicht durch Schwebeteilchen, Blasen oder Farbe beeinträchtigt werden und – mit der Option der automatischen Prismareinigung durch Dampf oder Hochdruckheißwasser – auch nicht durch Skalierung oder Verschmutzungen beeinflusst werden.

Die Entwicklung eines zuverlässigen Prüfstands ermöglicht es dem Projektteam, sich auf die Hauptziele zu konzentrieren. Verschiedene Elektrodenbeschichtungen und Elektrolytlösungen werden beschleunigten Belastungstests in unterschiedlichen Temperaturbereichen unterzogen. Kristian Macke beschreibt: „Die Ergebnisse eines vierwöchigen Tests wurden kürzlich auf einer Konferenz in Berlin (ZVO Oberflächentage 2025) vorgestellt, wo wir hervorragende Leistungsdaten für eine neue Beschichtung präsentieren konnten.“

Mit der Entwicklung nachhaltigerer Beschichtungen wird der neue vollautomatisierte Prüfstand es dem Team ermöglichen, Elektrolysegeräte, -materialien und -bedingungen im Hinblick auf eine höhere Prozesseffizienz zu optimieren. „Die Messung der KOH-Konzentration durch Vaisala Refraktometer spielt eine entscheidende Rolle im Prüfstand“, so Kristian Macke. „Das ultimative Ziel ist es, neue leistungsstarke Elektrolyseurstapel mit leistungsstarken Oberflächenbeschichtungen zu entwickeln. Die Fähigkeit, das KOH-Verhältnis automatisch zu überwachen und zu steuern, ist unerlässlich, um die Komponenten und die Effizienz der Elektrolyseure zu optimieren.“

Dieses Projekt zeigt, wie fortschrittliche Messtechnik Innovationen im Bereich sauberer Energie unterstützt und den Übergang zu kohlenstoffarmen Lösungen beschleunigt.

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