Projekte

Der Fokus des FuE-Vorhabens liegt in der Entwicklung eines kostengünstigen, industrietauglichen, echtzeitfähigen Messsystems zur präzisen und kontinuierlichen Bestimmung des Säuretaupunktes im Abgasstrom.

Durch die Vermeidung von Korrosion (hervorgerufen durch Säurebetauungen) sind Verbesserungen der Anlagensicherheit und Instandhaltung erzielbar. Gleichzeitig ist durch eine exakte, sensorisch kontrollierte Abgasprozessführung und der damit erreichbaren Temperaturabsenkung des Abgasstroms eine Optimierung des Energieträgereinsatzes und eine signifikante Verminderung der CO2-Emmissison zu bewirken.

Wird der Säuretaupunkt erfasst, kann die Abgastemperatur auf eine Temperatur von nur wenigen Kelvin oberhalb der Säure-Taupunkttemperatur abgesenkt werden. Damit kann der Einsatz von Brennstoffmaterial zur Erhaltung der optimalen Abgastemperatur reduziert, CO2-Emmission gemindert und die Industrieanlagen schonend betrieben werden.

Die Online-Kontrolle solcher Abgasströme leistet einen Beitrag zur Verbesserung der Industrie-CO2- Bilanz, die angesichts der Klimaschutzziele bei Anlagen- und Prozessbetreibern zunehmend an Bedeutung gewinnt.

Im Rahmen des Projektes soll ein Demonstrator eines Strömungssensors mit Gasart-erkennung entwickelt werden. Strömungssensoren werden in Industrie, Laboratorien, Krankenhäusern und im privaten Bereich weit genutzt.

ln der Prozessindustrie sind typische Anwendungen die Regelung großer Massenströme von Prozessgasen. ln der Biologie-technologie, der Pharmazie, der Medizin und im Automotivbereich sind hingegen Messungen im Nanobereich erforderlich.

Im Wohn- und Arbeitsbereich dienen sie einer energieeffizienten Einstellung der Umgebungsbedingungen. Die Gasströmungsmessung beruht auf verschiedenen Prinzipien: Thermomassendurchflussmessung, Schalenkreuz oder Flügelradanemometer, Schwebekörper-Durchflussmessung, Coriolis-Massen-Durchflussmessung, Strömungsmessung mittels Differenzdrucksensoren.

Dominierend am Markt sind thermischen Flusssensoren wegen ihres weiten Messbereiches, ihrer miniaturisierten Bauform und ihrer hohen Empfindlichkeit.

Nachteile sind nichtlineare Abhängigkeit und die Beeinträchtigung durch Staub und Feuchtigkeit.

Für die genannten Messprinzipien gilt, dass das Messsignal von der Gasart und von weiteren Umgebungsbedingungen abhängig ist.

Neben den genannten wurden in den letzen Jahren verschiedene cantileverbasierte Strömungssensoren vorgestellt. Sie basieren auf der Erfassung der durch Strömung hervorgerufenen Kräften (Widerstands- und Auftriebskraft) sowie der durch wirbelinduzierten Schwingungen.

Das zugrundeliegende Messprinzip basiert auf der Dämpfung der Resonanz im Gasstrom. Für die im Projekt untersuchten MEMS-Strukturen konnte gezeigt werden, dass mittels der Erfassung der Güte des Resonators die Flussgeschwindigkeit reproduzierbar gemessen werden kann. Andererseits bleibt die Resonanzfrequenz nahezu unbeeinflusst durch die Strömung.

Aus Untersuchungen zu Druckmessungen ist bekannt, dass die Resonanzfrequenz druckabhängig, aber vor allem von der Gasart abhängig ist. Hieraus leitet sich das Ziel dieses Projektantrages ab, einen Strömungssensor zu entwickeln, der durch die Erfassung mehrerer Kenngrößen des Resonators in der Lage ist, neben den Massenfluss die Gasart zu bestimmen. Darüber hinaus können neben der Erfassung des dynamischen Verhaltens statische Einflüsse gemessen werden.

Das Entwicklungsziel ist ausgerichtet, auf einen miniaturisierten Mikrosensor vollständig gefertigt in einer CMOS-kompatiblen Halbleitertechnologie, um einen universellen Strömungssensor als preiswertes Massenprodukt am Markt anzubieten.

Der Mikrosensorchip hat eine Größe von 2mm x 4mm, wobei der Sensor selbst eine Abmessung von 100µm x 300µm besitzt.

Das Arbeitsprinzip ist so, dass dieser Sensor sowohl in großen als auch kleinen Strömungskanälen eingesetzt werden kann. Das Wirkprinzip beruht darauf, dass der Sensor die Kraftwirkung des strömenden Gases erfasst. Hierzu ist er als Mikroblattfeder ausgebildet.

Im statischen Betriebsmodus (1) wird die Blattfeder in den Gasstrom eingebracht und erfährt in Folge des dynamischen Drucks des Gases eine Verbiegung. Selbige wird mittels des integrierten Verbiegungssensors erfasst.

Im dynamischen Betriebsmode (2) wird die Blattfeder durch einen ebenfalls auf ihr befindlichen Aktuator in Resonanz versetzt. Diese Resonanzamplitude wird durch den Gasstrom beeinflusst und durch den Verbiegungssensor erfasst.

Zentrales Problem der regenerativen Energien sind fehlende Möglichkeiten der Energiespeicherung zur Überbrückung ertragsschwacher Zeiten.

Als wichtiger Lösungsansatz zur Speicherung wird die Wasserstoff-Technologie gesehen, d.h. die Wasserstofferzeugung mittels Elektrolyse aus überschüssiger elektrischen Energie sowie die Rückverstromung bei Bedarf.

Es gibt bereits jetzt brauchbare Lösungen für die Speicherung von Wasserstoff und die Rückverwandlung in elektrische Energie z.B. Betrieben von Gasturbinen oder Brennstoffzellen. Das Projektziel besteht in der Entwicklung eines Hochdruck-Elektrolyseurs zur Wasserstoffherstellung mit skalierbaren Parametern.

Die wesentlichen Innovationen beim geplanten Elektrolyseur sind der hohe Arbeitsdruck, die Eignung für rasch wechselnde Lastverhältnisse sowie ein hoher Wirkungsgrad durch einen Zero-Gap-Aufbau.

Die erstmalige Entwicklung von Gasmesstechnik zur Direktbestimmung von Stickstoff und Stickoxiden in LTCC-Bauweise wird zu einer extremen Miniaturisierung der gesamten Messtechnik führen.

Durch Entwicklung der Teilsysteme Ozonerzeugung und Ozonüberwachung und -steuerung, eines neuartigen Hochspannungsmoduls und der Ozonzerstörung werden die Voraussetzungen geschaffen im Ergebnis das erste Einkammersystem zur Direktbestimmung von Stickstoff und Stickoxiden miniaturisiert am Markt anbieten zu können.

Die angestrebte Entwicklung wird eine UV- und IR- Messtechnik im System integrieren und eine neue gerätetechnische Lösung zur Gasanalyse darstellen.

Neben der angestrebten innovativen Messtechnik wird die Verkleinerung der Abmessungen zu neuen Einsatzmöglichkeiten führen. Ein tragbares und jederzeit vor Ort einsetzbares Messmodul wird eine breite Anwendung nach sich ziehen.