Die entscheidende Bedeutung der wasserstoffbasierten Überwachung für Versorgungs- und Industrieanwendungen

In kritischen Infrastrukturen – von Transformatoren in Energieversorgungsunternehmen über Energiespeicher bis hin zu industriellen Prozessanlagen – dient Wasserstoffgas sowohl als wertvoller Diagnoseindikator als auch als Frühwarnzeichen für potenzielle Probleme. Das Nichterkennen des Vorhandenseins von Wasserstoff kann zu katastrophalen Anlagenausfällen, Sicherheitsrisiken und erheblichen Betriebsstörungen führen. Anlagenmanager und Instandhaltungsteams, die für kritische Anlagen und Betriebsabläufe verantwortlich sind, können die Betriebssicherheit und -integrität besser gewährleisten, indem sie ein tieferes Verständnis der Prinzipien der Wasserstoffmessung erlangen und zuverlässige Wasserstoffüberwachungslösungen implementieren.

Was ist das Prinzip der Wasserstoffmessung?

Das Prinzip der Wasserstoffmessung beruht auf speziellen Materialien, die mit Wasserstoffmolekülen auf präzise messbare Weise interagieren. Fortschrittliche, wasserstoffbasierte Transformatorenüberwachungssysteme, wie sie beispielsweise von H2scan entwickelt wurden, nutzen eine Technologie, die auf der einzigartigen Wechselwirkung zwischen Wasserstoff und seltenen Edelmetallen basiert.

Wenn Wasserstoffmoleküle mit bestimmten Metalloberflächen in Kontakt kommen, dissoziieren sie in atomaren Wasserstoff, der in Mengen, die proportional zur vorhandenen Wasserstoffkonzentration sind, in das Kristallgitter diffundiert. Diese Wechselwirkung erzeugt messbare Veränderungen der elektrischen Eigenschaften, die hochpräzise, ​​für Wasserstoff spezifische Messwerte liefern.

Diese entscheidende Spezifität eliminiert Fehlalarme durch andere Gase, die in industriellen Umgebungen vorhanden sein können. Die wasserstoffspezifischen Sensorsysteme von H2scan können Wasserstoff ohne Kreuzempfindlichkeiten gegenüber anderen Gasen nachweisen und heben sich damit von allen anderen Inline-Messtechnologien ab.

Wie funktioniert ein Wasserstoffsensor?

Die Wasserstoffsensoren von H2scan arbeiten mit ausgeklügelten Mechanismen, die auf der patentierten Festkörpertechnologie basieren. Kernstück ihres Messverfahrens ist ein Zweikomponentensystem:

Die Sensoren enthalten zwei Hauptelemente: ein Metall-Isolator-Halbleiter-Bauelement (MIS), das Wasserstoffatome als Ladung an Materialgrenzflächen erkennt, und einen Dünnschichtwiderstand, dessen Widerstand zunimmt, wenn Wasserstoffatome die Palladium-Gitterstruktur verzerren.

Der Vorgang umfasst mehrere Schlüsselprozesse:

• Selektive Adsorption: Wasserstoffmoleküle haften an der Sensoroberfläche, wo sie in atomaren Wasserstoff zerfallen.
• Gitterdiffusion: Die Wasserstoffatome dringen mit einer zur Wasserstoffkonzentration proportionalen Geschwindigkeit in das auf Seltenerdmetallen basierende Sensormaterial ein.
• Grundstücksänderung: Der diffundierte Wasserstoff verursacht messbare Veränderungen der elektrischen Eigenschaften des Sensormaterials.
• Signalverarbeitung: Moderne Elektronik wandelt diese Eigenschaftsänderungen in präzise digitale Messwerte um, die Alarme auslösen oder kontinuierliche Überwachungsdaten liefern können.

Die H2scan-Sensoren zeichnen sich durch ihre einzigartige Schutzbeschichtung aus, die einen kontinuierlichen Betrieb in rauen, kontaminierten Umgebungen ermöglicht, in denen herkömmliche Sensoren ausfallen oder häufig gewartet werden müssen. Die Sensoren kalibrieren sich selbst, ohne dass Kalibriergase oder kostspielige Vor-Ort-Besuche erforderlich sind. Dies gewährleistet gleichbleibende Zuverlässigkeit und Genauigkeit, reduziert den Wartungsaufwand erheblich und trägt zur Vermeidung von Betriebsunterbrechungen bei.

Wozu werden Wasserstoffsensoren verwendet?

Die Wasserstoffsensoren von H2scan werden für Überwachungssysteme in drei primären Anwendungsbereichen eingesetzt:

1. Überwachung des TransformatorzustandsEinblick in den Zustand von Transformatoren hilft dem Personal, den Zustand der Transformatorenflotte zu kennen, um den Strombedarf zuverlässig zu decken und das zwar geringe, aber schwerwiegende Risiko von Transformatorausfällen und möglichen Explosionen zu vermeiden. Wasserstoff und andere Gase entstehen, wenn in Transformatoren Probleme wie Überhitzung, Teilentladungen und Lichtbögen auftreten. Warum ist Wasserstoff so wichtig? Wasserstoff ist ein Schlüsselgas, das vor anderen Gasen auftritt und sich daher ideal als Frühwarnindikator eignet. Ein Branchenexperte formuliert es so: „Wenn in Transformatoren etwas schiefgeht, entsteht Wasserstoff.“ Dank dieser Früherkennung können Wartungsteams abnormale Transformatorzustände erkennen, bevor es zu katastrophalen Ausfällen kommt.
2. ENERGIESPEICHERIn Batterieräumen üblicherweise verwendete belüftete Blei-Säure- und Ni-Cad-Batterien setzen Wasserstoff frei, der entzündliche Konzentrationen erreichen kann. Wasserstoff-Bereichsmonitore erkennen diese Ansammlungen und lösen bei zu hohen Konzentrationen Alarme oder Belüftungssysteme aus. Das rasante Wachstum von Batteriespeichersystemen (BESS) zur Integration erneuerbarer Energien und zur Modernisierung der Stromnetze verstärkt die Bedeutung der Wasserstoffsicherheitsüberwachung. Schon geringe Mengen Wasserstoff können in geschlossenen Räumen explosive Bedingungen hervorrufen.
3. Industrielle ProzessanwendungenWasserstoff ist ein Schlüsselelement vieler industrieller Prozesse, von der Energieerzeugung über die chemische Industrie bis hin zur Halbleiterproduktion. In diesen Anwendungen muss Wasserstoff schnell und präzise erkannt, analysiert und gemessen werden, um die Prozesseffizienz zu steigern und Sicherheitsrisiken zu vermeiden. Die Einzelgassensoren (Wasserstoff) von H2scan ermöglichen durch kontinuierliche Wasserstoffmessungen in Prozessströmen die Optimierung des Betriebs, die Sicherstellung der Produktqualität und die Einhaltung von Sicherheitsstandards.

Welche Nachweisverfahren gibt es für Wasserstoff?

Hier sind einige der Nachweisverfahren für Wasserstoff, die jeweils auf unterschiedlichen Funktionsprinzipien beruhen:

• Festkörpersensoren: Diese Systeme nutzen seltene Metalllegierungen, die hochselektiv für Wasserstoff sind und ohne Sauerstoff in Konzentrationsbereichen von wenigen ppm bis 100 % funktionieren. Die Technologie von H2scan gehört in diese Kategorie und bietet hohe Genauigkeit, lange Lebensdauer, Wartungsfreiheit und verschiedene Geräteoptionen für alle drei Marktsegmente, die von Überwachungslösungen profitieren könnten.
• Brennstoffzellensensoren: Diese Systeme trennen Gas und Öl mittels Membranen, wobei Wasserstoff eine elektrochemische Zelle antreibt. Obwohl sie mit bewährter Technologie kostengünstig sind, muss der Sensor typischerweise alle ein bis fünf Jahre ausgetauscht werden, und sie reagieren möglicherweise auf mehrere Gase anstatt nur auf Wasserstoff.
• Gaschromatographie: Diese Technologie in Laborqualität trennt Gase mithilfe spezieller Säulen und bietet eine außergewöhnliche Genauigkeit, erfordert jedoch Gasflaschen, einen regelmäßigen Säulenwechsel und eine fortlaufende Kalibrierung.
• Fotoakustische Spektroskopie: Mithilfe von Infrarotlichtquellen und speziellen Filtern misst diese Technologie Schallimpulse, die entstehen, wenn Gasmoleküle Energie absorbieren und abgeben. Sie bietet zwar ohne Gasflaschen eine gute Genauigkeit, benötigt aber separate Sensoren für Wasserstoff.
• Elektrochemische Sensoren: Diese erzeugen elektrische Signale proportional zur Wasserstoffkonzentration und bieten so eine hohe Genauigkeit bei der Erkennung kleiner Leckagen sowie eine lange Lebensdauer.

Warum ist Wasserstoff schwer nachzuweisen?

Trotz seiner allgegenwärtigen Präsenz ist Wasserstoff aufgrund besonderer messtechnischer Herausforderungen schwer nachzuweisen:

• Physikalische Eigenschaften: Wasserstoff ist farblos, geruchlos und das kleinste existierende Molekül, wodurch er mit den menschlichen Sinnen nicht wahrnehmbar ist und selbst durch kleinste Öffnungen in Auffangsystemen entweichen kann.
• Schnelle Ausbreitung: Aufgrund seiner extrem niedrigen Dichte steigt es schnell auf und verteilt sich rasch in der Luft, wodurch dynamische Konzentrationsmuster entstehen, die bei herkömmlichen periodischen Probenahmemethoden oft völlig übersehen werden.
• Fluchtverhalten: Wasserstoff entweicht aus Transformatorensystemen schneller als jedes andere Gas, wodurch die herkömmliche jährliche Ölprobenahme zur Früherkennung von sich entwickelnden Transformatoranomalien ungeeignet ist.
• Interferenzprobleme: Aufgrund seiner molekularen Eigenschaften ist Wasserstoff in Umgebungen mit anderen Gasen nur schwer selektiv nachweisbar. Hinzu kommt die Tendenz von Wasserstoff, mit verschiedenen Materialien zu reagieren, wodurch seine Anwesenheit maskiert oder in weniger ausgefeilten Nachweismethoden zu Fehlmessungen geführt werden kann.

Diese Herausforderungen haben die Innovationen von H2scan im Bereich der Sensortechnologie vorangetrieben, darunter firmeneigene Schutzbarrieren, die einen kontinuierlichen Betrieb auch in kontaminierten Umgebungen ermöglichen.

Die fortschrittlichen wasserstoffbasierten Transformatorüberwachungslösungen von H2scan

H2scan bietet mehrere zielgerichtete Produktlinien an, um spezifischen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden:

Zur Transformatorüberwachung:

Die GRIDSCAN® 5000-Serie kombiniert einen leistungsstarken ASIC mit dem praxiserprobten Wasserstoffsensor von H2scan. Diese Systeme ermöglichen präzise Wasserstoffmessungen zu geringeren Kosten und eignen sich daher ideal für OEM- oder Energieversorgungsunternehmen mit hohem Produktionsvolumen. Da sie weder Kalibrierung noch Wartung benötigen, stellen sie die kostengünstigste Lösung zur Wasserstoffüberwachung von Transformatoren dar – typischerweise zu einem Zehntel der Kosten von Mehrgas-DGA-Lösungen.

Der GRIDSCAN 6000 ist die branchenweit einzige Lösung zur Überwachung wichtiger Gase, die Wasserstoff, Feuchtigkeit, Druck und Temperatur in einem einzigen Gerät misst. Durch die Integration dieser wichtigen Indikatoren für den Zustand von Transformatoren erhalten Netzbetreiber kontinuierlich Online-Daten zur Beurteilung des Zustands ihrer Transformatorenflotte. Eine zehnjährige Garantie minimiert den Wartungsaufwand und senkt die Betriebskosten.

Die Transformatorüberwachungslösung HY-VAULT™ wurde entwickelt, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Netztransformatoren zu erhöhen. Durch die Integration der GRIDSCAN 5000-Serie mit dem AVO-1 ermöglicht HY-VAULT Echtzeit-Einblicke in den Zustand von Netztransformatoren.

Für die Sicherheit im Batterieraum:

Der Wasserstoff-Bereichsmonitor HY-ALERTA® 5021 wurde speziell für die Sicherheit in Batterieräumen entwickelt. Er erfüllt alle geltenden Normen und Anforderungen, einschließlich der kontinuierlichen Überwachung, um den Wasserstoffgehalt unter 25 % der unteren Explosionsgrenze (UEG) zu halten, der Ansteuerung von Abluftventilatoren und der Modbus-Kommunikation für die Meldung von Messwerten. Der Sensor erkennt ausschließlich Wasserstoff und eliminiert Fehlalarme. Dank seiner Selbstkalibrierungsfunktion zeichnet er sich durch eine lange Lebensdauer aus und benötigt weder Kalibriergase noch kostspielige Vor-Ort-Besuche.

Für industrielle Prozesse:

Die HY-OPTIMA®-Serie bietet kontinuierliche, wasserstoffspezifische Prozessanalysatoren, die für einfache Bedienung, flexible Schnittstellen und präzise Prozesssteuerung in industriellen Anwendungen entwickelt wurden. Die Sensoren sind in verschiedenen Konfigurationen erhältlich und arbeiten in anspruchsvollen Industrieumgebungen in Hintergrundgasströmen.

Übernehmen Sie die Kontrolle über Wasserstoffsicherheit und Anlagenzuverlässigkeit

Unentdeckter Wasserstoff kann zu katastrophalen Anlagenausfällen, Sicherheitsvorfällen und Produktionsunterbrechungen führen. Die wasserstoffbasierten Transformatorenüberwachungslösungen von H2scan gewährleisten einen zuverlässigen, wartungsfreien Betrieb und geben dem Anwender Sicherheit sowie kontinuierliche Einblicke in den Zustand kritischer Anlagen.

Mit über 15,000 weltweit installierten Sensorsystemen und über 1.3 Milliarden im Feldeinsatz bewährten Betriebsstunden bietet H2scan eine unübertroffene Zuverlässigkeit für die wasserstoffbasierte Transformatorenüberwachung in den Bereichen Transformatorenüberwachung, Batterieraumsicherheit und industrielle Prozessanwendungen.

Anhang

Über den Autor: André Marais

André Marais ist Executive Vice President für Vertrieb und Marketing bei der H2scan Corporation, einem führenden Anbieter von Wasserstoffsensorlösungen. Marais leitet den weltweiten Vertrieb und das Marketing, um Kunden bei der sicheren Umsetzung von Lösungen für die Wasserstoffwirtschaft mithilfe spezialisierter Messtechnologien zu unterstützen. Zuvor leitete er Konstruktionsteams bei Eskom, einem der fünf größten Energieversorger weltweit. Marais ist ein erfahrener B2B-Vertriebsleiter mit umfassender Expertise in den Bereichen Energieversorgung, Telekommunikation und Industrie. Er verfügt über einen Bachelor of Science in Elektrotechnik, ein Diplom in Technologiemanagement und ist zertifizierter Ingenieur.