Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPMPhotoakustischer Sensor misst, wieviel Wasserstoff im Erdgas steckt
»Je mehr Wasserstoff wir ins Erdgas mischen, desto niedriger der Brennwert. Mit unserem photoakustischen Sensor können wir die Gaszusammensetzung mit deutlich weniger Aufwand als bisher analysieren.«
Wasserstoffanteil verändert den Brennwert des Gases
Was genau ist drin im Erdgas, das noch immer einen Großteil unserer Häuser heizt? Diese Frage kann heute nur mit aufwändiger, teurer Messtechnik und stichprobenhaft beantwortet werden. Sie ist aber umso dringlicher, als zunehmend Wasserstoff und Biogas ins Erdgasnetz eingespeist werden. Dies verändert die Konzentrationen der einzelnen Gasbestandteile und damit den Brennwert des Gases, der Grundlage für den Gaspreis ist. So hat die Hauptkomponente von Erdgas, Methan, einen dreimal höheren Brennwert als Wasserstoff. Zudem beeinflusst die Gaszusammensetzung den Verbrennungsprozess. Damit dieser optimal läuft, muss die Sauerstoffzufuhr ans Gasgemisch angepasst werden.
Ein kompakter, kostengünstiger Sensor vereinfacht die Messung von Gaskonzentrationen in Erdgas-Wasserstoff-Gemischen.
Im Projekt Brennsorik hat Fraunhofer IPM einen kompakten, kostengünstigen Sensor entwickelt, mit dem sich die Gaskonzentrationen in Erdgas-Wasserstoff-Gemischen analysieren lassen – ohne den hohen Aufwand für den Betrieb eines Prozess-Gaschromatographen.
Der Sensor arbeitet nach dem Prinzip der resonanten Photoakustik: Das Gas in einer Messzelle wird mit gepulstem IR-Licht bestrahlt. Bei der Absorption des Lichts werden die Gasmoleküle angeregt; die dabei entstehende Wärme erzeugt gasspezifische akustische Wellen, die mithilfe eines MEMS-Mikrofons ausgelesen werden. Für die Bestimmung der im Gas enthaltenen Komponenten Methan, Wasserstoff, Ethan und CO2 verwendet das Team IR-LEDs mit drei unterschiedlichen Wellenlängen sowie einen NIR-Laser. Da der Konzentrationsanteil von Wasserstoff nicht einfach optisch gemessen werden kann, wird die gasabhängige Resonanzfrequenz als Summenparameter gemessen. Ein Algorithmus, in den alle Messwerte einfließen, berechnet die einzelnen Konzentrationsanteile des Gasgemischs. Mit diesem Verfahren ist es möglich, sowohl Erdgaskonzentrationen als auch Wasserstoffkonzentrationen von 0 bis 100 Prozent zu messen. Anhand der Konzentrationsanteile kann der Brennwert berechnet werden.
Projekt Brennsorik (Brennwert-Sensorik für Erdgas-Wasserstoff-Gemische, gefördert von der Fraunhofer-Gesellschaft (SME-Projekt)