Hohe Wasserstoffreinheit für Brennstoffzellen
Warum die Probenahme an der Betankungsdüse für zuverlässige und konforme Wasserstoffsysteme entscheidend ist
Im Zuge des globalen Wandels hin zu einer saubereren und nachhaltigeren Energielandschaft hat sich Wasserstoff zu einer entscheidenden Kraftstoffalternative für die Dekarbonisierung von Verkehr, Industrie und Energieerzeugung entwickelt.
Zu den vielversprechendsten Anwendungen gehört der Einsatz von Wasserstoff in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen). Diese ermöglichen einen effizienten und emissionsfreien Betrieb von Fahrzeugen und stationären Systemen. Die Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Lebensdauer von Brennstoffzellen hängen jedoch entscheidend von der Reinheit des zugeführten Wasserstoffs ab – und die Anforderungen sind hier deutlich strenger als bei anderen industriellen Anwendungen. Selbst geringste Spuren von Verunreinigungen können irreversible Schäden verursachen, die Betriebseffizienz verringern und die Zuverlässigkeit des gesamten Systems beeinträchtigen.
Die Wasserstoffreinheit ist nicht nur ein Thema für die Laboranalyse. Sie erfordert einen ganzheitlichen Ansatz, der die gesamte Wertschöpfungskette umfasst – von der Produktion und Lagerung über die Beförderung bis hin zur Abgabe. Wasserstoff ist in jeder dieser Phasen anfällig für Zersetzung und Verunreinigungen, weshalb zuverlässige Probenahme- und Verifizierungsverfahren unerlässlich sind.
Aus diesem Grund hat Sauhaib Filali, Application Engineer bei Swagelok München und Experte für das Clean-Energy-Segment, das Whitepaper als technischen Leitfaden für Ingenieure, Bediener und alle Stakeholder entwickelt, die in den Bereichen Wasserstoffinfrastruktur und Brennstoffzellen tätig sind. Neben den Grundlagen und technischen Herausforderungen der Wasserstoffprobenahme beinhaltet das Whitepaper einen Überblick über relevante Normen und praktische Systemarchitekturen, die eine präzise und normkonforme Überprüfung der Kraftstoffqualität ermöglichen.
In diesem Interview sprechen wir mit Sauhaib Filali über den Markt, die Hintergründe dieses Whitepapers und dessen Nutzen für Kunden.
F: Erzählen Sie uns etwas über sich und wie es dazu kam, dass Sie in dieser Branche arbeiten.
A: Meinen ersten Bachelorabschluss in Maschinenbau habe ich an der Universität Hassan II. in Casablanca (Marokko) in einem französischsprachigen Ingenieurstudiengang gemacht. Da ich meine technische Expertise jedoch weiter vertiefen und eine internationale Karriere als Ingenieur verfolgen wollte, bin ich nach Deutschland gezogen. An der University of Applied Sciences in Berlin habe ich einen zweiten Bachelorabschluss im Fach Maschinenbau erworben. Der Studiengang wird dort auf Deutsch unterrichtet.
In meiner aktuellen Position bei Swagelok München, die ich 2022 angetreten habe, unterstütze ich die Auslegung, Dokumentation und Umsetzung von Wasserstofffluidsystemen entlang der gesamten Wertschöpfungskette für Clean Energy – einschließlich der Produktion, Verteilung, Lagerung und Probenahme von Wasserstoff sowie der Nutzung in Fahrzeugen. Meine Aufgaben umfassen die Verfahrenstechnik, die Erstellung von R&I-Fließbildern, die Spezifikation von Komponenten, die Entwicklung von 3D-Systemmodellen und Montagezeichnungen sowie den technischen Kundensupport vor Ort.
Darüber hinaus bewerte ich Systeme und Komponenten hinsichtlich ihrer Konformität mit internationalen Normen für Wasserstoff, um sichere und normgerechte Systemauslegungen zu gewährleisten. Ich halte regelmäßig Vorträge auf Branchenveranstaltungen wie der Hannover Messe und der TankTech über Best Practices für die Auslegung von Wasserstoffsystemen sowie über Wasserstoffqualität, Probenahme- und Sicherheitsstandards.
F: Wie sehen Sie den Markt für Wasserstoff heute und in Zukunft?
A: In meiner Rolle als Application Engineer habe ich die rasante Entwicklung des globalen Markts für Wasserstoff aus nächster Nähe miterlebt. Die ambitionierten politischen Zielsetzungen und frühen Experimentierphasen sind nun in eine strukturiertere, an Normen orientierte Implementierungsphase übergegangen. Die Kapazitäten der Elektrolyseure sind deutlich gewachsen und die Brennstoffzellenmobilität gewinnt zunehmend an Bedeutung, insbesondere in Asien und Europa.
Der europäische Ansatz hat mich dabei besonders beeindruckt, da er verbindliche Infrastrukturziele beinhaltet. Die AFIR-Verordnung (Alternative Fuels Infrastructure Regulation) der Europäischen Union schreibt beispielsweise vor, dass bis 2030 entlang der zentralen Verkehrsrouten alle 200 Kilometer eine Wasserstofftankstelle verfügbar sein muss.
Gleichzeitig steht der Markt weiterhin vor realen Herausforderungen. Zu den größten Herausforderungen zählt die Kluft zwischen Einsatz und Zuverlässigkeit. Es werden zu viele Systeme aufgebaut, ohne auf eine kontinuierliche Kontrolle der Kraftstoffqualität oder Langlebigkeit zu achten. Wasserstoffbrennstoffzellen reagieren äußerst empfindlich auf Spurenverunreinigungen – und bis vor Kurzem spielte die Qualitätssicherung oft nur eine Nebenrolle.
Umso ermutigender ist es zu sehen, dass sich die Branche diesem Thema nun verstärkt widmet. Neue Normen wie ISO 19880-9 liefern erstmals einen klaren Leitfaden für die Probenahme von Wasserstoff am Abgabepunkt. Sie tragen so dazu bei, dass der in das Fahrzeug abgegebene Wasserstoff die kritischen Reinheitsanforderungen erfüllt. Ich bin zuversichtlich, dass dieser Wandel die Grundlage für einen skalierbaren und langfristigen Erfolg der Wasserstoffwirtschaft schaffen wird.
F: Welche Entwicklungen in der Branche haben Sie dazu inspiriert, dieses Whitepaper zu verfassen?
A: Meiner Meinung nach besteht in der Branche ein unzureichendes Verständnis der Anforderungen an die Wasserstoffqualität für PEM-Brennstoffzellenstacks sowie der Rolle der Probenahme zum Schutz dieser Systeme. Der Wasserstoff muss eine Reinheit von 99,97 % aufweisen, wobei nur kleinste Spurenverunreinigungen zulässig sind. Viele Kunden wissen jedoch nicht, wie dieses Reinheitsniveau am Abgabepunkt tatsächlich erreicht werden kann. Viele verlassen sich auf das Analysezertifikat des Lieferanten, ohne zu berücksichtigen, dass die Wasserstoffqualität während der Verdichtung, Lagerung und Abgabe abnehmen kann.
Die Probenahme ist ein wesentliches technisches Instrument, um zu überprüfen, ob der Wasserstoff am Einsatzort weiterhin die erforderlichen Spezifikationen erfüllt. Gleichzeitig ist die Probenahme ein komplexer Prozess. Bei einer unsachgemäßen Durchführung können fehlerhafte Ergebnisse, Normabweichungen oder langfristige Schäden am System die Folge sein.
F: Welche Normen zu Wasserstoffanwendungen sollten Kunden Ihrer Meinung nach unbedingt kennen?
A: Für Kunden gibt es mehrere Normen, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb von Brennstoffzellensystemen zu gewährleisten. Dabei gibt es drei zentrale Ebenen, die zusammenwirken müssen: Was muss gemessen werden, wie wird die Probe entnommen und wie wird sie analysiert?
Auf der ersten Ebene definieren die ISO 14687 und (in einigen Regionen) die SAE J2719 die Anforderungen an die Qualität von Wasserstoff als Kraftstoff, einschließlich der maximal zulässigen Grenzwerte für kritische Verunreinigungen. Auf der zweiten Ebene stehen Normen wie ISO 19880-9 und ASTM D7606-17. Sie beschreiben, wie Wasserstoffproben am Abgabepunkt korrekt entnommen werden und berücksichtigen dabei Aspekte wie Spülvorgänge, Erdung und Werkstoffbeständigkeit. Die dritte Ebene betrifft die Analyse: ISO 21087 legt fest, welche analytischen Methoden im Labor anzuwenden sind und wie die Stabilität der Probe während des Transports gewährleistet wird.
Der wichtige Punkt ist, dass diese drei Ebenen gut aufeinander abgestimmt sein müssen. Ein System kann technisch noch so ausgefeilt sein, aber ohne normgerechte Probenahme sind die Reinheitsergebnisse einfach nicht verlässlich.
F: Was ist die größte technische Herausforderung bei der Probenahme von Wasserstoff?
A: Meiner Erfahrung nach ist die größte Herausforderung die Aufrechterhaltung der Probenintegrität. Hierbei muss sichergestellt werden, dass die Probe vom Zeitpunkt der Entnahme bis zur Analyse die reale Wasserstoffzusammensetzung korrekt widerspiegelt. Das mag einfach klingen, doch bereits kleinste Leckagen, geringe Mengen von Restgas in Toträumen oder unvollständige Spülvorgänge können zu Verunreinigungen führen oder die zu messenden Verunreinigungen verdünnen. Die Probe spiegelt anschließend nicht mehr die tatsächliche Zusammensetzung des Wasserstoffstroms wider.
Dieses Problem lässt sich nur durch eine fachgerechte Auslegung des Probenahmesystems lösen – angefangen bei kompatiblen Werkstoffen über die Vermeidung von Toträumen bis hin zu gründlichen Spülvorgängen. Nur so kann sichergestellt werden, dass der im Analysegerät ankommende Wasserstoff genauso rein und unverändert ist wie an der Quelle.
Ein System ist nur so sauber wie der Probenahmeprozess. Selbst hochreiner Wasserstoff kann durch eine schlecht konzipierte oder fehlerhaft durchgeführte Probenahme kompromittiert werden. In diesem Fall können Verunreinigungen oder nicht repräsentative Proben dazu führen, dass die Ergebnisse nicht zuverlässig sind.
Aus diesem Grund muss das Probenahmesystem mit derselben Umsicht und gemäß denselben internationalen Normen ausgelegt werden wie das gesamte Wasserstoffsystem. In der Praxis ist die Probenahme nicht nur eine analytische Methode, sondern eine systemrelevante Entscheidung, die direkten Einfluss auf die Leistung und Sicherheit von Brennstoffzellen hat.
F: Wenn sich Kunden nur eine einzige Sache aus diesem Whitepaper mitnehmen sollten, was sollte das sein?
A: Wenn sich Kunden nur eine Sache aus diesem Whitepaper mitnehmen, dann hoffentlich diese: Die Kraftstoffqualität an der Betankungsdüse ist das Entscheidende. Selbst wenn der Wasserstoff die Produktionsanlage in ausreichender Reinheit verlässt, kann es entlang der Wertschöpfungskette zu Verunreinigungen kommen. Deshalb muss die Probenahme direkt an der Betankungsdüse erfolgen. Nur so kann sichergestellt werden, dass der Wasserstoff in der Brennstoffzelle die erforderliche Qualität aufweist.
„Die Probenahme von Wasserstoff ist nicht nur Nebensache, sondern spielt eine entscheidende Rolle beim Schutz von Brennstoffzellen.“
– Sauhaib Filali, Swagelok München
Lesen Sie Sauhaib Filalis Whitepaper: „Ensuring Hydrogen Purity for Fuel Cell Applications“ (Hohe Wasserstoffreinheit in Brennstoffzellenanwendungen). Bei Fragen zur Probenahme von Wasserstoff wenden Sie sich bitte an Ihr zuständiges Vertriebs- und Servicezentrum von Swagelok.