- Mess- und Prüfverfahren für Wasserstofftechnologien
- Wasserstoff-Analytik und zertifizierte Referenzmaterialien
- Synthese und Eigenschaften von Metal Organic Frameworks (MOFs) als H2-Speicher
Dieses Kompetenzfeld bündelt die Expertise der BAM zur Gasanalyse, zu Gaseigenschaften und zur Gasreinheit.
Die Expertise liegt darin, Wasserstoffgase bezüglich ihrer Qualität zu bewerten. Dazu gehört, Verunreinigungen, z. B. durch andere Gase oder Feuchte, zu erkennen und zu quantifizieren und Leckagen im Rahmen der Qualitätssicherung sowie der Sicherheitsüberwachung über die gesamte Wasserstoffwertschöpfungskette zu erkennen.
Die BAM entwickelt auch Prüfverfahren zur Ermittlung der Sensoreignung unter realitätsnahen Bedingungen — bei Umgebungsdruck und bei Betriebsdrücken — und stellt zertifizierte Referenzmaterialien für die sensorische und analytische Messtechnik her.
Spezifische Themen sind u. a.:
- Entwicklung und Weitergabe der Nationalen Normale der Gasanalytik, insbesondere für Automobilabgase- und Energiegase im gesetzlichen Messwesen
- Bereitstellung von hochgenauen Referenzgasen für die Verbesserung von Gasgleichungen
- Bestimmung von Leistungsparametern (u. a. Lebensdauer, messtechnischer Einsatzbereich, Ansprechverhalten und Genauigkeit) von Wasserstoffsensoren und Sensorsystemen durch Laborprüfungen unter realitätsnahen Bedingungen
- Weiterentwicklung und Etablierung von Mess- und Prüfverfahren für die Charakterisierung von Messmitteln
- Synthese und Eigenschaften von metallorganischen Gerüstverbindungen (EN: Metal Organic Frameworks, MOF) als Wasserstoffspeicher und davon abgeleitete Elektrokatalysatoren für die umweltfreundliche Wasserstofferzeugung durch Wasserspaltung
Mess- und Prüfverfahren für Wasserstofftechnologien
Zur Steuerung von Anlagen der Wasserstoffwirtschaft und zur Wasserstoffdetektion für die Sicherheitsüberwachung von Anlagen oder Gebäuden werden geeignete Sensoren benötigt. Beispielsweise überwachen Sensoren in Brennstoffzellen die Gaszusammensetzung im Gasstrom, während Wasserstoffsensoren und Sensorsysteme Leckagen erkennen. Die Entwicklung und Qualifizierung neuer noch leistungsfähigerer Sensoren ist eine Schlüsselaufgabe zur Gewährleistung und Erhöhung der Anlagensicherheit, z. B. von Brennstoffzellen, Wasserstofftankstellen und Power-to-X-Anwendungen. Dafür nutzt und entwickelt die BAM bedarfsgerechte Mess- und Prüfverfahren sowie entsprechende Vorschriften, um Sensoren für Anwendungen zu validieren. Ein weiter Schwerpunkt liegt in der instrumentellen Analytik. Hierzu werden sowohl durch selektive, fallbezogene Sensoren als auch durch vielseitige, unspezifische Lösungen weiterentwickelt. Ihre Anwendungen umfassen die Bestimmung und Reinheitsprüfung von Wasserstoff sowie die Charakterisierung neuer Wasserstoffanwendungen wie die Direktreduktion zur Metallherstellung.
Wasserstoff-Analytik und zertifizierte Referenzmaterialien
Klassische Aufgabe der Gasanalytik an der BAM ist die Entwicklung und Weitergabe der Nationalen Normale der Gasanalytik insbesondere für AU- und Energiegase im gesetzlichen Messwesen, d. h. über zertifizierte Referenzmaterialien und Ringversuche. Die BAM agiert dabei gemäß einer Verwaltungsvereinbarung mit der PTB als designiertes Institut (DI) im Rahmen der Meterkonvention und ist bei CCQM und EURAMET aktiv.
Der Klimawandel und die Notwendigkeit der Transformation des Energiebereichs stellen die Gasanalytik vor neue Aufgaben. Diese ergeben sich aus der Nutzung von Wasserstoff, von wasserstoffhaltigen alternativen gasförmigen Kraft- und Brennstoffen (NH3 usw.), dem Einsatz von alternativen methanbasierten Energiegasen (LNG, LPG, Biogas usw.) und der Dekarbonisierung mittels Carbon Capture Usage and Utilisation (CCSU). Überall ist die Qualität, d. h. die tatsächliche chemische Zusammensetzung der Gase entscheidend.
Die genaue Kenntnis der thermodynamischen Eigenschaften von Erdgasen und wasserstoffangereicherten Erdgasen ist wichtig für die grundsätzliche Auslegung und Umsetzung von technischen Prozessen und deren Engineering (z. B. für Gastransport durch Pipelines). Für die ständige Verbesserung der Referenz-Zustandsgleichungen als Grundlage für die genaue Bestimmung der Brennwerte von Energiegasen stellt die BAM hochgenaue Gasmischungen zur Verfügung.
Synthese und Eigenschaften von Metal Organic Frameworks (MOFs) als H2-Speicher
In jüngster Zeit wurden verschiedene Materialien wie Metallhydride und kryogene Adsorption für die Speicherung von Wasserstoff untersucht, um hohe Speicherdichten zu erreichen. Für eine zirkuläre Wasserstoffwirtschaft, insbesondere für Brennstoffzellen, sind Speichermethoden für Feststoffe, die rückgängig gemacht werden können, von entscheidender Bedeutung. Ebenso wichtig ist es, die Adsorptionskapazität von Metallhydriden und porösen Materialien unter unterschiedlichen Druck-, Temperatur- und thermischen Parametern zu verstehen. Metallorganische Gerüste (metal-organic frameworks, MOFs) sind aufgrund ihrer hohen Oberfläche und Speicherkapazität von großem Interesse. Die MOF-Datenbank enthält Details zu 3600 MOF-Strukturen, um die Auswahl zu erleichtern. Die elektrochemische Wasserspaltung (EWS) stellt einen vielversprechenden Ansatz zur Herstellung von hochreinem Wasserstoff unter Verwendung erneuerbarer Energiequellen dar. Allerdings ist die Verwendung von Katalysatoren zur Verbesserung der Reaktionsgeschwindigkeiten erforderlich. MOF- und Kohlenstoffkatalysatoren könnten sich dabei als kostengünstige Alternativen erweisen.