Warum Raman-Spektroskopie für Wasserstoffverflüssigung und Qualitätssicherung wichtig ist

Mit der weltweit steigenden Nachfrage wird der Transport des Wasserstoffs von den Produktionsstandorten zu den Endnutzern zu einer zentralen Herausforderung. In seinem natürlichen gasförmigen Zustand hat Wasserstoff eine geringe volumetrische Energiedichte. Das bedeutet, dass er ein sehr großes Volumen im Verhältnis zu der darin enthaltenen Energie einnimmt. Dadurch werden Speicherung und Transport ohne weitere Verarbeitung höchst ineffizient.

Zur Überwindung dieser Einschränkungen wird zunehmend erwartet, dass Wasserstoff verflüssigt wird. Ein solches Verfahren ist in der Erdgasindustrie (z. B. bei LNG) seit langem bewährte Praxis. Bei der Verflüssigung wird Wasserstoff auf extrem tiefe Temperaturen (20 K oder –253 °C) gekühlt, dadurch verringert sich sein Volumen um einen Faktor von fast 800×. Diese drastische Verringerung bietet für die praktische Handhabung wesentliche Vorteile:

• Wasserstoff kann über weite Entfernungen per Schiff, Lkw oder auf der Schiene transportiert werden
• Große Mengen können in zentralen Wasserstoff-Hubs gespeichert werden
• Wasserstoff kann als Teil einer künftigen weltweiten Wasserstoffwirtschaft an Industrieunternehmen und Tankstellen verteilt werden

Die Wasserstoffverflüssigung eröffnet somit neue Wege für weltweite Lieferketten und eine Einführung im großen Maßstab.

Wasserstoff wird immer mehr zu einem entscheidenden Baustein für die weltweite Energiewende, besonders in Bereichen wie der Düngemittelherstellung, in Raffinerien und in der chemischen Produktion.

Bei kryogenen Temperaturen zeigt Wasserstoff jedoch ein einzigartiges Verhalten. Er kommt nämlich in zwei Spin-Isomeren vor:

• Orthowasserstoff (Ortho-H₂) – vorherrschend bei Umgebungstemperatur (~75 %)
• Parawasserstoff (Para-H₂) – vorherrschend bei kryogenen Temperaturen (>99 % bei 20 K)

Während der Verflüssigung wird bei der Umwandlung von Ortho- in Parawasserstoff Wärme freigesetzt. Wenn diese Umwandlung beim Kühlen des Wasserstoffs unvollständig ist, kann durch die restliche Reaktion Boil-off-Gas (BOG) entstehen, und dies kann zu Produktverlusten in der gesamten Lieferkette führen. Daher wird für Betreiber von Verflüssigungs-, Speicher- und Transportsystemen die genaue Echtzeit-Quantifizierung der Wasserstoffisomere unerlässlich, um Effizienz und Sicherheit des Prozesses zu gewährleisten.

Die Raman-Spektroskopie eignet sich in idealer Weise dafür, das Ortho/Para-Verhältnis von Wasserstoff zu messen, da sie den molekularen Fingerabdruck jedes Isomers direkt erfasst. Mit dem Hochlauf von LH₂-Produktion und -Verarbeitung wird diese Fähigkeit – in Kombination mit einem für den Einsatz im Feld bereiten System – immer wichtiger für Betreiber. Denn sie benötigen genaue, in Echtzeit verfügbare Einblicke in die isomere Zusammensetzung.

Während andere Technologien nur Para-H₂ messen, ist die Raman-Spektroskopie in der Lage, zwischen Ortho-H₂ und Para-H₂ zu unterschieden. Dazu misst sie beide Signaturen innerhalb eines einzigen Spektrums. Dadurch kann auf die Anwendung indirekter Inferenzverfahren verzichtet werden, die einen Unsicherheitsfaktor einführen oder signifikante Fehler verursachen können.

Im Gegensatz zu Analysen im Labor oder indirekten Analysetechniken ermöglichen Raman-Systeme:

• Kontinuierliche Überwachung im Prozess
• Nicht-invasive Messung
• Keine Probenaufbereitung
• Keine Störung der Prozessbedingungen

Dies bietet Betreibern einen sofortigen Einblick in die Isomerenverhältnisse und unterstützt eine proaktive Prozesssteuerung.

Die Raman-Spektroskopie ermöglicht die Quantifizierung von Parawasserstoff bei Umgebungsbedingungen und gewährleistet gleichzeitig, dass das tatsächliche, während der Verflüssigung erreichte Ortho/Para-Verhältnis erhalten bleibt. In einer Wasserstoff-Verflüssigungsanlage unter realen Bedingungen wird das Gas über mehrere Stufen mit unterschiedlichen Katalysatoren gekühlt, die die Umwandlung der Spin-Isomere antreiben. Die Raman-Spektroskopie kann in jeder Phase angewendet werden, um die Umwandlungseffizienz zu überprüfen. Da die Rückumwandlung (Para → Ortho) ohne Katalysator zudem äußerst langsam ist, hat die Erwärmung der Wasserstoffprobe keine Auswirkungen auf die messbare Zusammensetzung. Durch dieses Verhalten:

• Werden keine Analyseanordnungen unter kryogenen Bedingungen benötigt
• Werden Sicherheit und Geschwindigkeit erhöht
• Wird die Komplexität der Messung verringert

Zu den traditionellen Ansätzen, die sich oft auf indirekte Messungen physikalischer Eigenschaften stützen, gehören:

• Kalorimetrie
• Wärmeleitfähigkeit
• Messung der Schallgeschwindigkeit

Diese Verfahren sind mit bekannten Herausforderungen verbunden, beispielsweise:

• Hohe Empfindlichkeit gegenüber Temperatur- und Druckschwankungen
• Unfähigkeit, den tatsächlich vorhandenen Parawasserstoff von Messabweichungen zu unterscheiden
• Geringe Zuverlässigkeit bei Verschlechterung der Katalysatorleistung

Im Gegensatz dazu kann die Raman-Spektroskopie:

• Ortho- und Para-H₂ direkt gleichzeitig nachweisen
• Eine unvollständige Verflüssigung sofort verifizieren
• Die Unterscheidung unterstützen, ob Prozessabweichungen oder Probleme mit dem Messgerät bzw. dem Katalysator vorliegen
• Alle Raman-aktiven Spezies in einem Messvorgang erfassen

• Bewährte Genauigkeit und Wiederholpräzision bei der Quantifizierung von Ortho- und Para-H₂, um eine präzise Steuerung bei der Verflüssigung und Speicherung von Wasserstoff zu gewährleisten
• Zuverlässige Einblicke in Echtzeit für die Prozessoptimierung, um Verluste zu reduzieren und die Produktqualität zu schützen
• Minimale Wartung und Einfachheit im Betrieb, für die keine Analyseausrüstung bei kryogenen Temperaturen benötigt wird – für schnellere und sicherere Arbeitsabläufe

Wasserstoff entwickelt sich immer mehr zum Dreh- und Angelpunkt für den weltweiten Umstieg auf sauberere, nachhaltigere Energiesysteme. Viele Länder und Branchen verstärken ihre Anstrengungen zur Reduzierung der CO₂-Emissionen und zur Abkehr von fossilen Kraftsstoffen. Vor diesem Hintergrund zeichnet sich Wasserstoff als vielseitiger und leistungsfähiger Energieträger aus, der das Potenzial bietet, diesen Wandel zu unterstützen.

Wasserstoff seht vor dem Übergang von der begrenzten industriellen Nutzung zu einem Energieträger im weltweiten Maßstab. Die Verflüssigung wird dafür eine immer wichtigere Rolle bei Transport und Speicherung spielen. Diese Veränderung unterstreicht, wie wichtig es ist, die Konversionsausbeute von Ortho- in Parawasserstoff genau zu verstehen und zu kontrollieren. Denn die Konversionsausbeute ist ein Parameter, der sich direkt auf Effizienz, Boil-off-Verhalten und die Sicherheit in der gesamten LH₂-Lieferkette auswirkt.

Die Raman-Spektroskopie bietet eine besonders leistungsfähige, praxistaugliche und zukunftsorientierte Lösung, um die Anforderungen an eine solche Messung zu erfüllen. Ohne Handhabung bei kryogenen Temperaturen können Betreiber so die isomere Zusammensetzung in Echtzeit mit der Klarheit zu überwachen, die sie für eine rasch expandierende Wasserstoffwirtschaft benötigen.

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