Wasserstoff-Gasanalysatoren – Prozessreinheit und Sicherheitsdetektion

Es handelt sich um grundlegend unterschiedliche Messgeräte für verschiedene Aufgaben. Ein TCD-Gasanalysator (Wärmeleitfähigkeitsdetektor) für Wasserstoff misst die H₂-Konzentration im Volumenprozentbereich (%vol) – von 0–10 %vol bis zu 0–100 %vol – anhand des physikalischen Unterschieds in der Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff und dem Hintergrundgas. Er dient der Prozessreinheitsmessung und wird in Synthesegasleitungen, Produktleitungen von Luftzerlegungsanlagen oder Generator-Kühlkreisläufen installiert. Ein katalytischer Perlen-LEL-Detektor misst die H₂-Konzentration in niedrigeren Messbereichen – 0–100 %LEL, entsprechend 0–4 %vol – durch katalytische Oxidation an einem beheizten Platinkatalysator (Pellistor). Er ist ein Sicherheitsmessgerät, das in explosionsgefährdeten Bereichen installiert wird, um Alarme gemäß Brandschutzvorschriften und ESD-Verriegelungen auszulösen. Werden die beiden verwechselt, kann es zum falschen Einsatz des Messgeräts kommen: Ein TCD ist weder für Sicherheitsalarme in %LEL ausgelegt noch dafür kalibriert, und ein katalytischer Perlen-Detektor deckt nicht den oberen %vol-Messbereich ab, der für die Überwachung der Prozessreinheit erforderlich ist.

Wasserstoff (H₂) ist ein homonukleares zweiatomiges Molekül ohne permanentes Dipolmoment und absorbiert kein mittelinfrarotes Licht. Nichtdispersive Infrarot-Gasanalysatoren (NDIR) messen die IR-Absorption bei charakteristischen Wellenlängen und können H₂ daher überhaupt nicht nachweisen; es gibt kein Absorptionssignal, das gemessen werden könnte. Dies ist eine grundlegende physikalische Einschränkung und kein Problem der Gerätekalibrierung. Die Wärmeleitfähigkeit eines TCD ist der etablierte Prozessstandard für die Messung hoher H₂-Konzentrationen, da die Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff etwa 7× so hoch ist wie die von Luft. Dieser große, zuverlässige physikalische Unterschied ermöglicht ein klares %vol-Signal für die Gesamtkonzentration, ohne dass eine optische Absorption erforderlich ist.

%vol (Volumenprozent) ist eine absolute Konzentrationseinheit für die Überwachung der Prozessreinheit – beispielsweise 95 %vol H₂ in einem Generator-Kühlkreislauf oder 60 %vol H₂ in einem Synthesegasstrom. %LEL (Prozent der unteren Explosionsgrenze) ist eine relative Sicherheitseinheit, die auf die Entzündbarkeitsschwelle des Gases bezogen ist. Die LEL von Wasserstoff liegt bei etwa 4 %vol, daher entsprechen 100 %LEL = 4 %vol H₂. Sicherheitsdetektoren lösen typischerweise bei 10 %LEL (≈ 0,4 %vol) und 25 %LEL (≈ 1 %vol) Alarm aus. Die beiden Skalen dienen völlig unterschiedlichen Zwecken: %vol für die Prozessqualität und %LEL für die Einhaltung von Brandschutzvorschriften. Messgeräte werden jeweils für einen dieser Bereiche kalibriert und zertifiziert, nicht für beide.

Ja – der ZS6300-H2 ist ein extraktiver Gasanalysator, der eine saubere, trockene Messgaszufuhr mit geregeltem Durchfluss und Druck benötigt. Eine vorgeschaltete Feuchteabscheidung (Kondensator oder Trockner) vor der TCD-Messzelle verhindert Flüssigkeitsmitriss und Sensorkontamination. Ein Partikelfilter schützt die Sensorbrücke vor Verschmutzung. Der Messgasdurchfluss wird auf 0,5–1,5 L/min bei 20–200 mbar g geregelt. Das Messgasaufbereitungssystem ZS-SCS-600 mit Kühlung und Trocknung ist die empfohlene Vorbehandlungsstufe. Die genaue Spezifikation wird je nach Projekt anhand der Temperatur, des Drucks und des Feuchtegehalts des Prozessgases an der Messgasentnahmestelle festgelegt.

Große wasserstoffgekühlte Generatoren benötigen im Kühlkreislauf typischerweise eine H₂-Reinheit von über 95–97 %vol, um die spezifizierte thermische Leistungsfähigkeit aufrechtzuerhalten. Die Betriebsgrenzwerte variieren je nach OEM, legen aber häufig einen Mindestwert für einen Alarm (zum Beispiel 93 %vol) sowie einen Mindestwert für die Abschaltung fest, unterhalb dessen die Kühlleistung nicht ausreicht. Lufteintritt bei Unterschreitung der Mindestreinheit verringert die Wärmeleitfähigkeit des Kühlgases und kann die Wicklungstemperaturen über die Auslegungsgrenzwerte hinaus erhöhen. Durch kontinuierliche TCD-Überwachung im Messbereich von 0–100 %vol lässt sich ein Abwärtstrend der H₂-Reinheit frühzeitig erkennen, bevor der OEM-Alarmwert erreicht wird. Die konkreten numerischen Grenzwerte legt der Generator-OEM fest, nicht der Gasanalysator. Die Firmware mit mehreren Messbereichen des ZS6300-H2 deckt das gesamte Überwachungsfenster ab, von nahezu 100 %vol bis hinunter zu 0 %vol, auch für Spül- und Befüllvorgänge.

ISO 14687-2 ist eine Anwendungsnorm, die Reinheitsanforderungen an Wasserstoff als Kraftstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge festlegt. Sie spezifiziert eine Mindest-H₂-Reinheit von 99,97 %vol sowie Grenzwerte im ppm-Bereich für einzelne Analyten wie CO, H₂S, NH₃, Gesamtkohlenwasserstoffe, Feuchte und weitere Spurenverunreinigungen. Zur Einhaltung von ISO 14687-2 ist neben einer Messung der Konzentration im %vol-Bereich auch der Nachweis von Verunreinigungen in Spurenkonzentrationen mit speziellen elektrochemischen oder gaschromatografischen Messgeräten erforderlich. Der TCD-Prozessgasanalysator ZS6300-H2 misst Konzentrationen im %vol-Bereich von 0–100 %vol und hat eine Nachweisgrenze von etwa 100 ppm H₂ (TCD-Grenze). Er eignet sich für die Überwachung der Reinheit hoher Gaskonzentrationen in Synthesegas-, Luftzerlegungsanlagen- und Generator-Kühlanwendungen. Audits zur Reinheit von Wasserstoff in Brennstoffzellenqualität gemäß ISO 14687-2 erfordern zusätzliche Messgeräte für den Nachweis von Spurenverunreinigungen und bedürfen einer projektbezogenen technischen Prüfung. Diese Funktion ist nicht standardmäßig im ZS6300-H2 verfügbar.

Die ATEX-Klassifizierung explosionsgefährdeter Bereiche mit Wasserstoff richtet sich nach der standortspezifischen Risikobewertung und der Zoneneinteilung durch die Sicherheitsfachkraft der Anlage. Wasserstoff gehört zur Gasgruppe IIC (höchste Zündenergiegruppe). Daher müssen druckfeste Gehäuse (Ex d) für IIC zugelassen sein, und eigensichere Stromkreise (Ex ia) müssen ebenfalls die Anforderungen für IIC erfüllen. In Zone 0 (ständig vorhanden) ist ia IIC erforderlich; in Zone 1 (wahrscheinliches Auftreten) sind d IIB+H2 oder ia IIC zulässig; in Zone 2 (bei Normalbetrieb unwahrscheinlich) sind Gehäuse der Schutzarten n IIC oder d IIC zulässig. Die ATEX-Zertifizierung des Prozessgasanalysators ZS6300-H2 muss projektbezogen technisch geprüft und bestätigt werden. Für Wasserstoff-Sicherheitsdetektoren in explosionsgefährdeten Bereichen verfügen der fest installierte katalytische Perlen-LEL-Detektor und der tragbare Detektor für brennbare Gase auf der Seite „Detektoren für brennbare Gase“ über einschlägige ATEX-Zulassungen für ihre jeweiligen Einsatzbereiche.

Die Wärmeleitfähigkeit von Helium ist der von Wasserstoff ähnlich; beide Werte liegen deutlich über denen von Luft und Stickstoff. Helium in der Gasmatrix verursacht daher erhebliche positive Querempfindlichkeit bei einem TCD, der für H₂ in Luft oder N₂ kalibriert ist. Bei Anwendungen mit Helium im Gasstrom (zum Beispiel bestimmten Leckprüfgemischen oder Spezialgasgemischen) muss die Matrixzusammensetzung bei der Bestellung angegeben werden, damit der Hersteller beurteilen kann, ob eine TCD-Messung geeignet ist und wie die Referenzmesszelle zu konfigurieren ist. Für H₂-/He-Gemische ist TCD möglicherweise nicht das geeignete Messverfahren; alternative analytische Messverfahren sollten geprüft werden. Bei den meisten industriellen Prozessanwendungen – Synthesegas, Produktgas aus Luftzerlegungsanlagen, Gas aus Chloralkalizellen und Generator-Kühlung – ist kein Helium vorhanden, sodass TCD zuverlässige Messergebnisse liefert.