Chemische Physik und Explosionsschutz - Abteilung 3 - Physikalisch ...
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Physikalisch-Technische Bundesanstalt Nationales Metrologieinstitut Abteilung 3 Chemische Physik und Explosionsschutz Abteilungsbericht 2020
Abteilung 3 Chemische Physik und Explosionsschutz Dr. B. Güttler Telefon: (0531) 592-3010 E-Mail: bernd.guettler@ptb.de Fachbereich 3.1 Allgemeine und Anorganische Chemie Dr. R. Stosch Telefon: (0531) 592-3100 E-Mail: rainer.stosch@ptb.de Fachbereich 3.2 Biochemie Prof. Dr. G. O´Connor Telefon: (0531) 592-3200 E-Mail: gavin.oconnor@ptb.de Fachbereich 3.3 Physikalische Chemie Prof. Dr. R. Fernandes Telefon: (0531) 592-3300 E-Mail: ravi.fernandes@ptb.de Fachbereich 3.4 Analytische Chemie der Gasphase Prof. Dr. V. Ebert Telefon: (0531) 592-3400 E-Mail: volker.ebert@ptb.de Fachbereich 3.5 Explosionsschutz in der Energietechnik Dr. D. Markus Telefon: (0531) 592-3500 E-Mail: detlev.markus@ptb.de Fachbereich 3.6 Explosionsgeschützte Sensorik und Messtechnik Dr. F. Lienesch Telefon: (0531) 592-3600 E-Mail: frank.lienesch@ptb.de Fachbereich 3.7 Grundlagen des Explosionsschutzes Dr. M. Beyer Telefon: (0531) 592-3700 E-Mail: michael.beyer@ptb.de Auszug aus dem PTB-Organigramm Explosion einer Büschelentladung beim Vergleich der (Dezember 2020) Mindestzündenergie mit der übertragenen Ladung
Abteilungsbericht 2020 – Chemische Physik und Explosionsschutz Zu den Aufgaben der Abteilung 3 Chemische Physik und Explosionsschutz gehört die Erforschung der Grundlagen zum primären, sekundären und tertiären Explosionsschutz, der Aufbau der metrologischen Infrastruktur zu Prüfanforderungen im Explosions- schutz, Entwicklung und Validierung von Prüfverfah- ren und die sicherheitstechnische Bewertung von Ge- räten. Im Explosionsschutz ist es das „primäre“ Ziel, explosionsfähige Atmosphäre zu vermeiden. Dazu müssen die verschiedenen Kenngrößen von Substan- zen bestimmt werden, die explosionsfähige Gemische bilden können. Lassen sich explosionsfähige Atmo- sphären nicht vermeiden, gilt es für den „sekundären Explosionsschutz“, Zündquellen zu vermeiden. Neue Technologien wie Smartphones und Tablets müssen entsprechend bewertet werden. Kommt es dennoch zu Explosionen begrenzt der „tertiäre“ Explosionsschutz die Auswirkungen, z. B. indem anlaufende Explosio- nen in einem sehr früher Stadium gestoppt werden. Bild 1: Untersuchung hybrider Gemische in der 20-l-Kugel Die dreistufige Evaluierung ermöglicht den sicheren Betrieb von Anlagen mit Explosionsgefahren, z. B. in chemischen und petrochemischen Anlagen. Die transfer durch Patente und Normen, das vom BMWi Abteilung 3 trägt mit Forschung, Gremientätigkeiten gefördert wird, wird das Verbundvorhaben NEX-HYS und Dienstleistungen auf allen drei Gebieten dazu zur Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen bei, Umwelt und Gesellschaft vor den Folgen unbe- hybrider Gemische bearbeitet. Ziel des Verbund- absichtigter Explosionen zu schützen. Die wichtigen projektes ist es, labortechnische Verfahren zur Bestim- aktuellen Arbeiten auf den drei Gebieten werden im mung sicherheitstechnischer Kenngrößen für hybride Folgenden beschrieben. Gemische bis zur Normungsreife zu entwickeln und mittelfristig eine europäische Normung für hybride Gemische zu initiieren. Folgende, technisch wichtige Sicherheitstechnische Kenngrößen für Kenngrößen werden untersucht: Die untere Explo- explosionsfähige hybride Gemische sionsgrenze, die Sauerstoffgrenzkonzentration, der maximale Explosionsdruck, der maximale zeitliche Hybride Gemische aus Staub, Brenngas und Luft Druckanstieg und die Mindestzündtemperatur. Um spielen in der Prozesstechnik bei Trocknungs- und eine schnelle allgemeine Verfügbarkeit der Ergebnisse Transportprozessen eine wichtige Rolle. Für diese Ge- zu gewährleisten, ist im Rahmen des Vorhabens in mische lassen sich die sicherheitstechnischen Kenn- Kooperation mit dem DIN die Erstellung einer Vor- größen nicht nach den etablierten Verfahren für die norm (DIN SPEC) geplant. Einzelkomponenten bestimmen. Aus bisherigen For- schungsarbeiten ist bekannt, dass hybride Gemische teilweise zündempfindlicher sind, erweiterte Explosi- Datenbank Chemsafe – Verlässliche onsbereiche aufweisen und die Auswirkungen von Ex- Kenngrößen für den Explosionsschutz plosionen heftiger ausfallen können als bei Brennstof- fen, die nur in einem Aggregatzustand vorliegen. Die Brennbare Gase und Flüssigkeiten können in Mi- entsprechenden Kenngrößen können nicht durch eine schung mit Luft explosionsfähige Gemische bilden. einfache Kombination der jeweiligen Werte der Rein- Der Explosionsschutz erfordert deshalb geeignete substanzen ermittelt werden. In einigen Fällen würde Maßnahmen für die sicherere Handhabung und dies zu einer Unterschätzung des Explosionsrisikos die Bewertung der Gefahren bei der Verarbeitung, und der Explosionsheftigkeit führen. Im Rahmen des Lagerung, Beförderung und Entsorgung. Diese WIPANO-Programms für Wissens- und Technologie- Maßnahmen werden anhand der spezifischen Stoffei- 1
Abteilungsbericht 2020 – Abteilung 3 Bild 2: Die frei zugängliche Datenbank CHEMSAFE stellt zuverläs- sige sicherheitstechnische Kenngrößen bereit Bild 3: Bespielhafte elektrische Entladungen an zwischen einem Wolframdraht (Anode, Durchmesser ca. 200 µm) und einem Kad- genschaften ausgelegt. Die CHEMSAFE-Datenbank miumblock (Kathode) ist seit mehr als 40 Jahren eine zuverlässige Quelle für die Kenngrößen solcher Stoffe. In dieser Datenbank werden von Experten der PTB und der Bundesan- dem Funkenprüfgerät (FPG), durchgeführt. Dieses stalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) bildet elektrische Entladungen nach, die innerhalb der bewertete Explosionsschutz-Kenngrößen brennbarer zu bewertenden Geräte bei verschiedenen Betriebs- Gase und Flüssigkeiten in Zusammenarbeit mit der oder Fehlerzuständen auftreten können. Das Fun- Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechno- kenprüfgerät ist jedoch komplex in der Anwendung logie e.V. (DECHEMA) veröffentlicht. Auf der Basis und basiert auf zufälligen Prozessen, welche sehr stark dieser Datensammlung wird kontinuierlich weiterer streuen. Forschungs- und Normungsbedarf ermittelt und ent- sprechend umgesetzt. Im Jahr 2017 wurde die Open Die Untersuchungen dieser relevanten zündenden Access-Version dieser Datenbank eingeführt, die sich elektrischen Entladungen (vgl. Bild 3) zeigen, dass es zunehmender Beliebtheit erfreut (www.chemsafe.ptb. verschiedene multiphysikalische Prozesse gibt, die de). CHEMSAFE wird kontinuierlich weiterentwickelt miteinander interagieren. So bestehen die hier be- und enthält derzeit bewertete Eigenschaften für etwa trachteten elektrischen Entladungen nach den neueren 3000 Flüssigkeiten, Gase und Gemische. Erkenntnissen aus Nichtgleichgewichts-Metalldampf- Plasmen. Bei der elektrischen Entladung und der Zündung einer explosionsfähigen Atmosphäre spielen Zündfähigkeit elektrische Entladungen u. a. elektrische, thermodynamische und material- spezifische Eigenschaften eine wichtige Rolle. Die Elektrische Entladungen gelten als potenzielle Zünd- aktuellen Untersuchungen befassen sich dabei mit der quelle von explosionsfähigen Atmosphären. Die Entstehung und Ausbreitung einer Explosion, welche Bewertung der Zündfähigkeit ist daher ein wichtiger durch die Betrachtung des Temperaturfeldes und der Aspekt zur Einschätzung des Risikos einer Explosion. Strahlung erfolgt. Hierbei werden u. a. spektrosko- Hierzu ist das Verständnis der physikalischen Prozes- pische und Schlieren Verfahren angewendet. Diese se von großer Hilfe. Ergebnisse sollen dann als Eingangsparameter für die Modellbildung genutzt werden. Die Zündschutzart Eigensicherheit „i“ findet Anwen- dung in der Automatisierungs- und Verfahrenstech- nik wie z. B. Sensoren, Aktoren und Anzeigen. Die Bewertung der Zündfähigkeit elektrischer Entladun- gen wird mit Hilfe eines genormten Versuchsaufbaus, 2
Abteilungsbericht 2020 – Chemische Physik und Explosionsschutz Elektro-Thermische Charakterisierung Polarisationswiderstand, der durch eine geringere von Lithium-Ionen-Zellen Viskosität des Elektrolyten steigt. Die entnehmbare Kapazität der Zelle sinkt mit geringerer Manteltempe- Der Betrieb von mobilen Geräten in explosionsfähigen ratur. Eine sicherheitstechnische Bewertung umfasst Atmosphären erfordert auch die sicherheitstechnische auch den vorhersehbaren Fehlbetrieb, so dass Unter- Bewertung der Batterien. Zur elektrothermischen suchungen bei Überladung und Überentladung der Charakterisierung von Lithium-Ionen-Zellen wäh- Zellen durchgeführt wurden. rend des Ladens oder Entladens bei verschiedenen Umgebungstemperaturen und Stromstärken wurden Zündgefahrenbewertung der drei verschiedene Charakterisierungsmethoden, die Kalorimetrie, die elektrochemische Impedanzspektro- optischen Strahlung (LED) skopie und das Stromimpulsverfahren angewandt und Die optische Strahlung von beispielweise LEDs in miteinander verglichen. Die kalorimetrische Bestim- Smartphones oder Tablets kann als Zündquelle in mung der Wärmekapazität der Zelle ergab einen Wert explosionsfähigen Atmosphären wirksam werden, von cZelle = 0,99 J/gK. Sie ist relevant für thermische sodass deren Bewertung folglich ein wichtiger Aspekt Modelle der Zelle. ist. Das Ziel der Forschungsarbeiten ist es, eine Bewer- tungsmethodik über die Messung einer Temperatur in Der irreversible Anteil der Wärmeleistung, bedingt einem Prüfkörper herzustellen. Hierzu werden Prüf- durch die ohmschen Verluste, kann bestimmt und körper (Partikel) angefertigt, die die optische Strah- verglichen werden. Die irreversible Wärmeleistung lung absorbieren und deren Temperatur erhöhen. Die aus dem Stromimpulsverfahren lässt sich jedoch erst Partikel werden im Strahlengang der LED positioniert nach einer ausreichenden Relaxationszeit bestimmen. und deren Temperatur mit einem Thermoelement ge- messen. Die beispielhafte Thermografiemessung zeigt Der Verlauf des Innenwiderstands über dem SoC die Temperaturverteilung eines erwärmten Partikels der Zelle wurde ebenfalls aus allen drei Methoden (siehe Bild 5). identifiziert und zeigt eine SoC-Abhängigkeit (Bild 4). Der mit sinkendem SoC ansteigende Innenwider- An der Vorderseite des Partikels trifft folglich eine stand hängt mit dem Konzentrationsgradienten der stärkere Erwärmung auf. Zur Bestimmung der Lithium-Ionen in der Zelle zusammen. Auch die Zündfähigkeit werden die Prüfkörper zusätzlich in Auswirkungen der Temperaturabhängigkeit konnte einer explosionsfähigen Atmosphäre positioniert. Der anhand der Kalorimetrie deutlich gemacht werden. Wirkmechanismus ist die Erwärmung des Partikels Es stellt sich heraus, dass die Wärmeleistung, die durch die emittierte Strahlung, die wiederum zu einer irreversible Wärmeleistung und der Innenwiderstand Entzündung der explosionsfähigen Atmosphäre füh- mit sinkender Manteltemperatur steigt. Dies liegt am ren kann. Die ermittelte Partikeltemperatur wird für 0 -0,5 Wärmelesitung in W -1 -1,5 -2 -2,5 0 20 40 60 80 100 SoC in % Bild 4: Vergleich zwischen drei Varianten der Berechnung der irreversiblen Wärme- 2h U 0,1 C Kalo leistung 3
Abteilungsbericht 2020 – Abteilung 3 Bild 5: Aufgenommene Temperaturver- teilung auf der Oberfläche des 1 mm Partikels, mit der Thermografiekamera aus einem ca. 70° Winkel die sicherheitstechnische Beurteilung der optischen kann beschrieben werden, dass die Ladung einer Strahlung einer LED herangezogen. Die Bewertungs- Polarität dieser Doppelschicht in der äußeren Schicht kriterien der Zündfähigkeit der LEDs sind die maxi- des Tropfens zu finden ist. Die entgegengesetzte mal zulässige Partikeltemperatur sowie der minimale Ladung zeigt in das Tropfeninnere. Die Bildung von Abstand zwischen der LED und dem Partikel. Die Me- Überschussladungen erfolgt, wenn die äußere Schicht thodik bietet eine einfache Handhabung für die Praxis vom Tropfenrumpf abgerissen wird. Dieser mechani- und kann als Bewertungsgrundlage für die optische sche Zerfall wird durch den Austritt aus der Düse, der Strahlung von LEDs herangezogen werden. hydrodynamischen Instabilität im Strahl und letzt- endlich durch den Aufprall auf die Behälterwandung Aus dieser Datenbasis wird mithilfe der logistischen hervorgerufen. Es muss untersucht werden, ob die Regression ein maximal zulässiger Temperaturgrenz- beschriebene Ladungstrennung ausreichend ist, um wert von 315 °C für ein 1 mm Partikel vorgeschlagen. Entladungen zu generieren, die potenziell in der Lage Eine Temperaturmessung für die IPhone SE LED sind, eine explosionsfähige Atmosphäre zu entzünden. ergibt Partikeltemperaturen von ca. 50 °C und liegt Ziel dieser Forschung ist es, die Höhe und Polarität deutlich unterhalb der maximal zulässigen Tempera- der elektrostatischen Ladungstrennung messtechnisch tur. nachzuweisen und „Worst-Case“-Parameter zu be- nennen. Zündgefahren durch elektrostatische Für erste Untersuchungen dient eine Modellanord- Aufladung – Ladungstrennung beim nung, bestehend aus einem leitfähigen 1 m³ Behälter, Versprühen von Wasser der speziell für die Montage eines Feldstärkenmess- gerätes und einer ortsaufgelöst messenden Poten- Beim Prozess der Behälterreinigung wird Wasser als tialmesssonde konstruktiv angepasst wurde. Durch häufigstes Reinigungsmedium eingesetzt. Wasser be- diese Modellanordnung wird die Ladungstrennung im sitzt als polare Flüssigkeit die Eigenschaft elektrische Behälter in Abhängigkeit der Düsenausrichtung und Doppelschichten zur umgebenden Luft auszubilden. Düsengeometrie untersucht. Die Modellanordnung Die Ausbildung der elektrischen Doppelschicht ist wurde bereits mit einer Warmwasseraufbereitung abhängig von der Salinität des Wassers. Allgemein erweitert. Diese Erweiterung erlaubt es, Wasser unter- Bild 6: Modellanordnung zur Untersuchung der elektrostatischen Ladungstrennung beim Hochdruckversprühen von Wasser 4
Abteilungsbericht 2020 – Chemische Physik und Explosionsschutz schiedlicher elektrischer Leitfähigkeit (vollentsalztes Wasser, Trinkwasser, Meerwasser) bei Temperaturen bis 60 °C zu versprühen. Einsatzgrenzen von Flammendurchschlagsicherungen bei erhöhtem Druck Zwecks Prozessoptimierung finden Prozesse in che- mischer und petrochemischer Industrie zunehmend unter nicht-atmosphärischen Bedingungen statt. Eine Erhöhung von Druck, Temperatur oder O2-Konzen- Bild 7: Druckverlauf der Detonation in Abhängigkeit vom eingestell- tration kann einen erheblichen Einfluss auf Explo- ten Anfangsdruck p tb sionsvorgänge haben (Bild 7) und müssen bei der Konzipierung des Explosionsschutzes im Rahmen der gesetzlichen Anforderungen berücksichtigt werden. Die aktuelle Norm DIN EN ISO 16852 (Flammen- Ausblick auf künftige durchschlagsicherungen - Leistungsanforderungen, Herausforderungen – 5G-Netze und Prüfverfahren und Einsatzgrenzen) enthält jedoch Wasserstoff-Technologie keine Anforderungen für nicht-atmosphärische Bedingungen. In einem von der PTB koordinierten Neue Technologien bringen in der Regel neue Her- Forschungsprojekt wird an der Entwicklung eines ausforderungen für den Explosionsschutz mit sich. Prüfverfahrens für Flammendurchschlagsicherungen Aufgrund der zunehmenden Automatisierung und der auf Beständigkeit gegen Detonationen bei erhöhten damit einhergehenden Kommunikation der Geräte Ausgangsdrücken gearbeitet. Gemeinsam mit Part- nimmt die Verwendung von Funknetzen in explosi- nern aus Forschung und Industrie werden erstmals onsfähigen Bereichen stetig zu. Für die Einführung Vergleichsmessungen für stabile und instabile De- des 5G-Netzes müssen noch Grundlagen geschaffen tonationen an unterschiedlichen Prüfeinrichtungen werden, die eine sicherheitsrelevante Bewertung tech- durchgeführt, um die Einsatzgrenzen des derzeitigen nischer Grenzwerte für elektromagnetische Felder so- Prüfverfahrens aufzuzeigen. Anschließend folgt eine wie deren Auswirkung hinsichtlich potenzieller Zünd- Weiterentwicklung des Prüfverfahrens, um eine quellen ermöglichen. Um die (künftigen) „5G-Geräte“ Verbesserung der Reproduzierbarkeit zu erzielen. Im für explosionsgefährdete Bereiche zu evaluieren, sind Weiteren wird der Einfluss des Ausgangsdrucks auf sowohl Fehlerzustände zu berücksichtigen, als auch die Wirksamkeit von Detonationsrohrsicherungen die Quellen, die außerhalb des Ex-Bereiches betrieben untersucht, um basierend auf diesen Erkenntnissen werden, aber in den explosionsgefährdeten Bereich ein Prüfverfahren für Detonationen bei erhöhten hinein strahlen. Eine weitere Herausforderung kommt Ausgangsdrücken zu entwickeln, das in die Normung mit der Wasserstoff-Technologie. Verschiedenste einfließen soll. Das Projekt wird durch die Förder- Geräte und Verfahren verlassen hier aktuell den maßnahme „WIPANO – Wissens- und Technologie- Labormaßstab. Energietechnische Großanlagen sind transfer durch Patente und Normen“ vom Projektträ- geplant oder werden schon umgesetzt. Dies lässt viele ger Jülich (PTJ) gefördert. neue sicherheitstechnischen Fragestellungen erwarten, die mit den vorhandenen Mitteln und Erfahrungen nicht umfassend zu lösen sein werden. 5
Abteilungsbericht 2020 – Abteilung 3 In Schlagzeilen: Nachrichten aus der Abteilung Grundlagen der Metrologie Wachstumshormon (GH), das eine zentrale Rolle im Stoffwechsel innehat. Die Ergebnisse stellen die Messunsicherheit von absoluten Isotopenverhält- Eignung der an der PTB entwickelten Methoden als nissen – Excel®-basiertes Tool zur Berechnung der Referenzmessverfahren unter Beweis. Für Hämoglo- Messunsicherheit von Kalibrierfaktoren erarbeitet bin kamen sogar zwei in der PTB entwickelte komple- Bei der Messung von Isotopenverhältnissen mit mentäre Methoden zum Einsatz. Die Abweichungen Massenspektrometern werden grundsätzlich nur Sig- vom Mittelwert der teilnehmenden Laboratorien nalintensitätsverhältnisse erhalten, die weit außerhalb betragen 1 % (LC-MS) bzw. 3 % (LC-ICP-MS) für Hä- ihrer Messunsicherheit von den interessierenden moglobin, sowie 3 % bzw. 6 % für Wachstumshormon Isotopenverhältnissen abweichen. Für die Berechnung in zwei verschiedenen Proben. Ziel der PTB ist es, der zur Korrektur notwendigen Kalibrierfaktoren für diese Analyten Referenzwerte in Ringvergleichen wurde bereits im Vorjahr ein Tool vorgestellt. Als für klinische Laboratorien zur Verfügung zu stellen. wichtige Ergänzung hierzu hat die AG 3.11 ein weite- (C Arsene, christian.arsene@ptb.de, C. Brauckmann, res Software-Tool im Rahmen des EMPIR-Projektes C. Swart, FB 3.2, christine.brauckmann@ptb.de) 16ENV06 entwickelt, das auf Monte-Carlo-Methoden basierend die Messunsicherheit dieser Kalibrierfak- Key-Comparison zur Reinheitsbestimmung toren bereitstellt. (L. Flierl, O. Rienitz, FB 3.1, lukas. primärer Peptid- Referenzmaterialien flierl@ptb.de, olaf.rienitz@ptb.de) Die PTB hat erfolgreich an einer Studie zur Identifi- zierung und Quantifizierung von Verunreinigungen Entwicklung einer Primärmethode zur Bestimmung in einem primären Referenzmaterial teilgenommen, des C-reaktiven Proteins das für die Kalibrierung von „Glycohämoglobin“ Das C-reaktive Protein (CRP) ist ein wichtiger Para- (HbA1c) benötigt wird. Hierbei handelt es sich um meter, um den Schweregrad einer akuten Entzündung ein Peptid, das die letzten sechs Aminosäuren des Hä- im menschlichen Körper zu beurteilen. In Koopera- moglobins (beta-Kette) umfasst und sich als „Snippet“ tion mit dem nationalen Metrologieinstitut Chinas zur Quantifizierung des Proteins eignet. Es existiert wird nach dem letztjährigen Besuch eines chinesi- in zwei Formen, eine ist unverändert (VHLTPE), schen Gastwissenschaftlers gegenwärtig basierend auf die andere durch Glucose modifiziert (glc-VHTLP). dem Prinzip der Isotopenverdünnungs-Massenspek- Beide Formen können auf enzymatischem Weg aus trometrie eine Primärmethode für CRP entwickelt. Patientenproben gewonnen werden. Das Stoffmen- Hierfür wird ein flüssigchromatographisches Verfah- genverhältnis (HbA1cM) charakterisiert den Grad ren zur Anreicherung von Signaturpeptiden des CRP der Glykierung des Hämoglobins („Langzeit-Blutzu- nach dem tryptischen Verdau des Serums angewen- cker“). Es wird im Zusammenhang mit Diagnose und det. In einem Messvergleich soll die neue Methode Behandlung von Diabetes mellitus gemessen. In der dem vom chinesischen Partnerinstitut entwickelten zweiten Stufe der Studie soll das so charakterisierte Messverfahren gegenübergestellt werden, das sich un- Material als Kalibrator für die HbA1c-Messung in terscheidet indem das CRP zur Anreicherung vor dem Serumproben verwendet werden. (R. Ohlendorf, tryptischen Verdau mittels spezifischer Antikörper C. Arsene, FB 3.2, cristian.arsene@ptb.de) aus dem Serum extrahiert wird. (C. Arsene, A. Henri- on, FB 3.2, christian.arsene@ptb.de) Neuaufbau eines erweiterten, primären Gasfeuchtenormals Erfolgreiche Organisation und Teilnahme an Zur Stärkung von Dienstleistung und Forschung baut CCQM-Ringversuchen zur quantitativen die Arbeitsgruppe 3.41 im Rahmen eines bewilligten Bestimmung von Proteinen Größtgeräteantrags ein neues primäres Feuchtenor- Im Rahmen der BIPM (CCQM) – Strategie zur mal auf. Basierend auf dem thermodynamischen Prin- Entwicklung von Primärverfahren für die Messung zip soll die Anlage einen Frost-/Taupunktbereiches von Proteinbiomarkern hat die PTB als Pilotlabora- von –40 bis +95 °C abdecken, und so den Arbeits- torium zwei Studien organisiert. Messgrößen waren bereich des bisherigen Normals deutlich erweitern. Hämoglobin in Blut, ein häufig im Labor gemessener Nach Abschluss der Planungs- und Entwurfsphase klinischer Basisparameter („Blutbild“), sowie Serum- befindet sich die Komponenten der Anlage zurzeit im 8
Aufbau. Neben der Fertigung zentraler Komponenten dienen. Dabei konnten in der Vergangenheit neben im wissenschaftlichen Gerätebau und dem Zusam- den Kohlenwasserstoffen in der Regel nur die Stick- menbau der anlagenspezifischen Systeme, gehören stoff- und Kohlenstoffdioxidanteile mit den in der dazu die Montage der Messsysteme zur Rückführung, PTB nach dt. Eichrecht geprüften Analysengeräten Überwachung und Automatisierung der Anlage. Für bestimmt werden. Mit der neusten Gerätegeneration das Jahr 2021 ist die Inbetriebnahme der Gesamtan- kann nun neben Sauerstoff und Helium auch Wasser- lage und anschließend deren Validierung geplant. stoff analysiert und bei der Brennwertermittlung be- (F. Bubser, R. Deschermeier, FB 3.4, regina.descher- rücksichtigt werden. Geräte bis 15 bzw. 20 % Wasser- meier@ptb.de) stoffanteile sind zum neuen Standard geworden und wurden im Rahmen der PTB-Konformitätsbewertung als geeignet für den Einsatz im geeichten Betrieb be- Metrologie für die Gesellschaft wertet. Die PTB unterstützt damit die Bereitstellung der Messtechnik für die Einspeisung von größeren Europäisches Metrologie Netzwerk „TraceLabMed“ Mengen regenerativ erzeugten Wasserstoffs in deut- verstärkt Zusammenarbeit mit strategisch wichtigen sche Erdgasnetze. (Dr. B. Anders, FB 3.3, E-Mail: bert. Partnern anders@ptb.de) Für das von der PTB koordinierte Netzwerk stand 2020 ganz im Zeichen der Corona-Pandemie: ge- 2D-Strömungsmodell zur Berechnung der plante Workshops und Konferenzen konnten nicht wirksamen Querschnittsfläche von realisiert werden, gemeinsame Treffen waren nicht Kolben-Zylinder-Systemen möglich. Trotz Absage eines Stakeholderworkshops, Ein neues 2D-Strömungsmodell wurde entwickelt, der gemeinsam mit der Europäischen Organisation um die wirksame Querschnittsfläche von Kolben- für Externe Qualitätssicherung (EQALM) und der Zylinder-Systemen von Kolbenmanometern ba- Griechischen Gesellschaft für Klinische Chemie und sierend auf ihren dimensionellen Eigenschaften zu Biochemie (GSCC-BC) geplant war, konnte in Zu- berechnen. Die wirksame Querschnittsfläche eines sammenarbeit mit der GSCC-CB, der Unterstützung Kolben-Zylinder-Systems ist sein Hauptparameter, von EQALM und durch intensive Bemühungen der der in erster Linie die Unsicherheit des mit dem EMN-Mitglieder ein gemeinsamer online Workshop Kolbenmanometer gemessenen Drucks bestimmt. im Rahmen des Jahrestreffens der GSCC-CB realisiert Mithilfe des 2D-Strömungsmodells kann der mit der werden. Die positive Rezeption dieser Veranstaltung axialen Nicht-Symmetrie eines Kolben-Zylinder-Sys- mit mehr als 350 Teilnehmern ist eine wichtige tems verbundene Unsicherheitsbeitrag beseitigt und Grundlage für die weitere Zusammenarbeit mit die Unsicherheit der wirksamen Querschnittsfläche klinischen Gesellschaften und Ringversuchsanbietern verringert werden. Das 2D-Strömungsmodell wurde zum Zweck der Priorisierung und der Förderung me- angewendet, um die wirksame Querschnittsfläche trologisch rückführbarer, Europäischer Ringversuche. von 3 Öl- und 4 Gasbetriebenen Kolben-Zylinder- Der Austausch mit klinischen Gesellschaften wurde Systemen zu berechnen, die an der PTB als Primär- darüber hinaus durch die Ernennung von Milena normale für Absolut- und Überdrücke in Gasen von Quaglia (LGC; UK) als Repräsentantin des EMNs in- 1 Pa bis 7 MPa und in Flüssigkeiten von 300 kPa bis nerhalb des „Committe on Traceablity in Laboratory 10 MPa angewendet werden. Der Vorteil des 2D- Medicine“ (C-TLM) der Internationalen Gesellschaft Strömungsmodells in Abhängigkeit von der geometri- für Klinische Chemie und Laboratoriumsmedizin schen Perfektion der Kolben-Zylinder-Systeme wurde (IFCC) wesentlich gestärkt. (D. Auerbach, R. Stosch, demonstriert. Mithilfe dieses 2D-Strömungsmodells FB 3.1, TraceLabMed@euramet.org) wurde der Unsicherheitsbeitrag aufgrund der axialen Nicht-Symmetrie der dimensionellen Eigenschaften Wasserstoffmessung wird zum Standard im der Kolben-Zylinder-Systeme eliminiert und schließ- geschäftlichen Verkehr lich die kombinierte Unsicherheit der wirksamen Prozessgaschromatographen (PGC) bestimmen seit Querschnittsfläche um 2 % bis 70 % reduziert. fast 30 Jahren in Erdgasnetzen aus der Gaszusam- (W. Sabuga, FB 3.3, E-Mail: wladimir.sabuga@ptb.de) mensetzung die Brennwerte und andere Gasbeschaf- fenheitskenngrößen, die als Abrechnungsgrundlage
Abteilungsbericht 2020 – Abteilung 3 STELLAR: Stable isotope metrology to enable zur direkten Realisierung metrologisch rückgeführter climate action and regulation Stoffmengenanteile. (O. Werhahn, I. Prokhorov, Das EMPIR-Projekt 19ENV05 STELLAR tritt seit J. Nwaboh, Z. Qu, V. Ebert, FB 3.4, olav.werhahn@ Sep. 2020 die Nachfolge des EMPIR-Projektes SIRS ptb.de) an. Beide Projekte werden/wurden vom NPL ko- ordiniert, und in beiden Projekten wird das für die MesSBAR: Automatisierte luftgestützte Messung Feldanwendungen wichtige Workpackage „Optischen der Schadstoff-Belastung in der erdnahen Methoden“ von der PTB geleitet. Dabei geht es jetzt Atmosphäre in urbanen Räumen in STELLAR um die optische Isotopenverhältnis- In dem von der TU-Braunschweig koordinierten Spektroskopie (OIRS) zur Bestimmung der δ13C, Forschungsprojekt werden mehrere Drohnen zu δ18O, δ17O und δ2H-Werte in CO2 und CH4. Darüber einem modularen, flugfähigen Schadstoff-Messsystem hinaus bringt AG 3.11 wichtige Erkenntnisse aus dem aufgebaut, um die 3D-Verteilung von Feinstaub, Ruß, Avogadro-Projekt in STELLAR ein, um eine zukünf- NOx und Ozon bspw. an Bundesfernstraßen und im tige SI-Rückführung von Isotopenverhältnissen in Umfeld von Städten und Ballungsräumen bis in eine Gasen zu ermöglichen. (O. Werhahn, J. Nwaboh, V. Höhe von einem Kilometer zu erfassen. Das Projekt Ebert, FB 3.4, volker.ebert@ptb.de) wird vom BMVI im Rahmen der Förderrichtlinie Mo- dernitätsfonds („mFUND“) gefördert. Der Fachbe- MetCLIMVOC: Metrology for climate relevant reich 3.4 arbeitet an der Entwicklung von Konzepten volatile organic compounds für eine metrologische Rückführung der NO2- und Im EMPIR-Projekt MetCLIMVOC, 19ENV06, ko- der Feinstaubsensoren. Hierzu wurde in AG 3.42 eine ordiniert vom METAS (CH), wird seit Juni 2020 an NO2-Prüf- und Kalibrierstrecke auf Basis gasförmiger der Verbesserung spektroskopischer Atmosphären- Referenzstandards aufgebaut, während die AG 3.43 fernerkundungsmethoden und -retrievals gearbeitet. an der Entwicklung mobiler, präparativer Feinstaub- Ziel der Arbeiten ist, in enger Kooperation mit der standards auf Basis von Plasmazerstäubern arbeitet. Universität York, genauere spektrale Molekülpara- (A. Nowak, O. Werhahn, V. Ebert, FB 3.4 volker. meter zu bestimmen, um so die die Güte der Ferner- ebert@ptb.de) kundungsmethoden zu steigern und sie metrologisch abzusichern. (Gang Li, Mi Eon Kim, V. Ebert, FB 3.4, 13th International Symposium on Hazards, Preven- volker.ebert@ptb.de) tion and Mitigation of Industrial Explosions als Diskussionsforum im Web realisiert Erfolgreicher Abschluss der EMPIR-Projekte Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braun- Biomethane, IMPRESS2 und SIRS schweig und die Otto-von-Guericke-Universität Mag- Im Jahr 2020 kommt es (Corona-bedingt etwas ver- deburg waren vom 27. bis 31. Juli 2020 Gastgeber des spätet) zum erfolgreichen Abschluss der drei EMPIR- Symposiums. Anstatt einer Präsenzkonferenz wurde Projekte Biomethane, IMPRESS2 und SIRS. Während kurzfristig ein virtuelles Diskussionsforum organi- es bei SIRS um die optische Isotopenverhältnis- siert. 575 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Spektroskopie (OIRS) zum Nachweis von δ13C, δ18O aus 38 Ländern nahmen teil. (M. Beyer, FB 3.7, mi- in CO2 ging, hatten Biomethane und IMPRESS2 chael.beyer@ptb.de) den gemeinsamen Analyt Chlorwasserstoff (HCl) im Fokus. SIRS findet eine Fortsetzung im EMPIR- Sicherheitstechnische Kenngrößen für Projekt STELLAR (s. oben), wohingegen Biomethane explosionsfähige hybride Gemische und IMPRESS im Projekt-Cluster „HCl“ auch im Hybride Gemische brennbarer Substanzen mit Rahmen des METAMC2-Projektes fortgeführt wer- Luft haben andere Explosionseigenschaften als die den. Gemeinsamkeit aller HCL-Clusterprojekte, ist jeweiligen Reinstoffe. Um die sicherheitstechnischen die Entwicklung applikations-spezifisch optimierter Kenngrößen des Explosionsschutzes reproduzierbar optischer Gas-Standards (OGS) für den Einsatz bestimmen zu können, wird zurzeit ein normungs- als Transferstandards in der Gasmetrologie. OGS fähiges Verfahren im Rahmen eines WIPANO Pro- arbeiten – ähnlich dem Ozon-Primärnormal – als jektes des Bundeswirtschaftsministeriums entwickelt gaskalibrationsunabhängiger „Instrumentenstandard“ (NEX-HYS). (V. Heilmann, A. Taiwo, W. Hirsch, 10
Abteilungsbericht 2020 – Chemische Physik und Explosionsschutz H. Großhans, S. Zakel, U. Krause, FB 3.7, vanessa. wurde eine Methode zur Überprüfung der Einsetz- heilmann@ptb.de) barkeit entwickelt, mit der die berechnete elektrische Feldstärke eines Flachstrahls bekannten Potentials mit Zündtemperaturen brennbarer Flüssigkeiten bei der gemessenen elektrischen Feldstärke verglichen erhöhtem Sauerstoffanteil in der Luft werden kann. (F. Baumann, FB3.7, florian.baumann@ Die Zündtemperatur ist eine wichtige Größe zur ptb.de, M. Thedens, FB 3.7 martin.thedens@ptb.de) sicherheitstechnischen Beurteilung brennbarer Gase und Flüssigkeiten. Sowohl für Luft als auch für reinen Messmethoden zum Erfassen der Ladungstrennung Sauerstoff als Oxidationsmittel existieren hierfür beim Versprühen von Wasser unter hohem Druck bereits umfangreiche Daten. Nun wurden die Zünd- Ein Hochdruckwasserstrahl erzeugt stets positiv und temperaturen im technisch wichtigen, aber bisher negativ geladene Tropfen im Behälter. Bei Messungen kaum untersuchten Bereich zwischen 21 Vol% und der elektrischen Feldstärke kann es zu einer Mittelung 100 Vol% Sauerstoffanteil im Oxidatorgas untersucht. dieser entgegengesetzt geladenen Tropfen innerhalb (W. Hirsch, S. Zakel, FB 3.7, sabine.zakel@ptb.de) der Messfläche des Feldstärkenmessgerätes kommen. Für ortsaufgelöste lastfreie Messungen ist eine Poten- Sicherheitstechnische Kenngrößen für die tialmesssonde nutzbar. (F. Baumann, FB 3.7, florian. Tankschifffahrt baumann@ptb.de, M. Himstedt, FB 3.7, matthias. Von Experten der BAM und der PTB zusammenge- himstedt@ptb.de, D. Möckel, FB 3.7, dieter.moeckel@ stellte physikalische Stoffdaten und bewertete Explo- ptb.de, M. Thedens, FB 3.7, martin.thedens@ptb.de) sionsschutz-Kenngrößen werden Aufsichtsbehörden sowie Industrie und Gewerbe in anwenderfreundli- Metrologie für die Wirtschaft cher Aufbereitung open access zur breiten Nutzung zur Verfügung gestellt. (E. Brandes, Y. Adebahr- Charakterisierung von Li-Ionen Batterien Lindner, F. Krischok, T. Stolz, FB 3.7, thomas.stolz@ Ein gemeinsames Forschungsprojekt zur Charak- ptb.de) terisierung von Li-Ionenbatterien auf Basis der elektrochemischen Impedanzspektroskopie zwischen Brand- und Explosionsschutz zuckerhaltiger der Volkswagen AG und den PTB-Arbeitsgruppen Ethanol-Wasser-Mischungen Elektrochemie und Datenanalyse und Messunsi- Der Einfluss des Saccharosegehalts auf brand- und cherheit ist erfolgreich abgeschlossen worden. Das explosionsschutzrelevante Anforderungen bei der entwickelte mathematische Modell zur Charakteri- Lagerung und Abfüllung von Ethanol/Wasser- sierung der Li-Ionenbatterien wurde validiert und in Lösungsmittelgemischen wurde untersucht. (S. Zakel, der Arbeitsgruppe Elektrochemie implementiert. Ein FB 3.7, sabine.zakel@ptb.de) Softwarepaket wurde dem Projektpartner VW zur weiteren Verwendung übergeben. (F. Schmähling, Überblick zum aktuellen Stand der messtechnischen FB 8.4, franko.schmaehling@ptb.de; G. Wübbeler, Charakterisierung der berührungslosen Messung C. Elster, FB 8.4, gerd.wuebbeler@ptb.de, clemens. elektrostatischer Aufladung mittels Feldmühlen elster@ptb.de; J. Heine, S. Seitz, FB 3.1, jessica.heine@ Mit Feldmühlen wird ein Messverfahren zur Be- ptb.de, steffen.seitz@ptb.de) stimmung elektrostatischer Felder ohne eine direkte Beeinflussung des Messobjektes bereitgestellt. Zur EU Horizon 2020 Forschungsprojekt „Metrology Etablierung der Feldmühle als rückbares Messmittel, for Integrated Marine Management and Knowledge- bedarf es genauer Kenntnisse über das Messprinzip. Transfer Network (MINKE)“ (C. Schierding, FB 3.7, carola.schierding@ptb.de) Die AG 3.13 – Elektrochemie ist Partner in einem Konsortium aus europäischen Kalibrierlaboratorien, Messung elektrischer Feldstärken aufgeladener Firmen, Forschungseinrichtungen und nationalen versprühter Flüssigkeiten Metrologieinstituten, das kürzlich im Rahmen des Die Kalibration von Feldstärkenmessgeräten ist ab- Calls H2020-INFRAIA-2018-2020 (Integrating and weichend von den realen Bedingungen beim Messen opening research infrastructures of European inte- elektrischer Feldstärken versprühter Flüssigkeiten. Es rest) das Forschungsprojekt „MINKE“ eingeworben 11
Abteilungsbericht 2020 – Abteilung 3 hat. MINKE hat das Ziel, die marine, metrologische Erweiterte Forschungs-/Dienstleistungslabors für Forschungsinfrastruktur zu integrieren, Synergien zu Partikel- und NOx-Emissionen schaffen und die Qualität der Meeresbeobachtung im Als Konsequenz aus der Novellierung der AU-Richtli- europäischen Rahmen zu verbessern. Die metrologi- nie Ende 2017, die u. a. auch erstmals einen AU-Parti- schen Institute werden in diesem Verbund die Umset- kelanzahldichtegrenzwert für Euro6-Dieselfahrzeuge zung metrologischer Konzepte für die „Essential Oce- einführte, wurden deutlich größere Prüf- und Labor- an Variables“ und insbesondere eine enge Anbindung flächen im Bereich Abgas erforderlich. Hierfür wurde an das Europäisch Metrologischen Netzwerk „Climate in nur einem Jahr ein Laborneubau (Planck 3) vor and Ocean Observation“ etablieren. Die AG 3.13 wird allem für die Abgasmetrologie konzipiert, realisiert in diesem Zusammenhang für die Messgrößen Salzge- und in Dienst gestellt. Im zweiten Schritt erfolgte nun halt und pH von Meerwasser zuständig sein. (S. Seitz, die Erweiterung der Prüfkapazitäten für die neuen FB 3.1, steffen.seitz@ptb.de) AU-Partikelanzahlsensoren und um Labors für die Vorlaufforschung zur möglichen Einführung einer EMPIR-Projekt 19ENG09 BIOFMET „New metrolo- NOx-AU. Dieser zweite Abgasmetrologie Neubau gical methods for biofuel materials analysis“ (Planck 4) wird nun ebenfalls in einem sehr kurzen Gesicherte Informationen über die Art und Qualität Zeitrahmen realisiert (Fertigstellung Anfang 2021) von festen und flüssigen Biokraftstoffen sind wichtig, und umfasst zwei neue Aerosollabore (je 48 m²) für um ihre thermochemische Umsetzung im Hinblick die Zulassung von AU-Partikelanzahlsensoren, sowie auf einen höheren Wirkungsgrad und geringere Emis- zwei NOx-Labore (je 48 m²) für die Vorlaufforschung sionen zu optimieren. Das EMPIR-Projekt BIOFMET zu Stickoxidemissionen in Verbrennungsabgasen, so ist im Sommer 2020 gestartet und befasst sich mit dass der Fachbereich auch auf aktuelle Entwicklungen der Erforschung von genaueren messtechnischen in der Abgasemissionsregulierung vorbereitet ist. Methoden und der Entwicklung von fortschrittlichen (S. Pratzler, A. Nowak, V. Ebert, FB 3.4, volker.ebert@ rückverfolgbaren Messstandards zur Bestimmung des ptb.de ) Energiegehalts, des Verunreinigungs- und Aschege- halts sowie der Entwicklung von neuen Feuchtigkeits- MetroPEMS: Improved vehicle exhaust übertragungsstandards und Kalibrierungsanlagen. An quantification by portable emission measurement der PTB werden dabei metrologische Rahmenbedin- systems metrology gungen für Energiegehaltsmessungen mittels Bom- Portable Emissionsmessgeräte (PEMS) werden in benkalorimetrie entwickelt und die Charakterisierung Europa zur Messung von realen PKW-Emissionen von Referenzmaterialien durchgeführt. (K. Mosham- (RDE) auf der Straße in der Typprüfung von Ver- mer, FB 3.3, E-Mail: kai.moshammer@ptb.de) brennungsmotoren eingesetzt. PEMS-Messgeräte, be- stehend aus einem Gasanalysator und einer Rußparti- AUPNag: Arbeitsgruppe zur Einführung der kelzähleinheit. Ziel des Projektes ist die Entwicklung Partikelanzahlmessung (PN) in die nationale und verbesserte Charakterisierung metrologischer Abgasuntersuchung (AU) Transferstandards, sowie die verbesserte Rückführung Vertreter von Ministerien, Behörden, Prüfinstituten der PEMS Endgeräte. Das Hauptaugenmerk gilt und Industrieverbänden haben in der AUPNag in dabei der Ruß-Partikelanzahl (PN), den Stickoxiden diesem Jahr unter der gemeinsamen Leitung der (NO, NO2) sowie dem Abgasmassenfluss (EFM). Die PTB (Prof. Dr. V. Ebert) und der Bundesanstalt für PTB koordiniert hierbei das Gesamtprojekt EMPIR- Straßenwesen (BAST, Dr. U. Ellmers) ihre Arbeit 19ENV09. (J. Saturno, V. Ebert, FB 3.4 volker.ebert@ fortgesetzt. In mehreren Treffen, die aufgrund der ptb.de) COVID19-Pandemie teils online stattfanden, wurden weitere große Schritte auf dem Weg zur Einführung MetAMC2: Metrology for Airborne Molecular Con- der neuen Messgröße in die deutsche AU gegangen. taminants 2 Kernpunkte waren dabei A) die Festlegung der metro- In dem industrierelevanten Projekt EMPIR-17IND09 logischen Prüfanforderungen an AU-Partikelanzahl- MetAMC2 arbeitet die AG 3.42 an der Quantifizie- messgeräte, sowie B) die Schaffung der Infrastruktur rung von Verunreinigungen in der Raumluft von für die Konformitätsbewertung der AUPN-Messgerä- Reinraum-Arbeitsplätzen und -Fabrikationsstraßen te. (S. Pratzler, V. Ebert, FB 3.4, volker.ebert@ptb.de ) 12
Abteilungsbericht 2020 – Chemische Physik und Explosionsschutz durch Chlorwasserstoff (HCl). Weiterentwickelt rologischen und sicherheitstechnischen Infrastruktur wurden dafür frühere Messverfahren, die auf einer für die Energiewende bei. (R. Fernandes, FB 3.3, ravi. Kombination von Wellenlängen-Modulations- fernandes@ptb.de; D. Markus, H. Grosshans, FB 3.5, Spektroskopie (WMS) und direkter Diodenlaser- detlev.markus@ptb.de) Spektroskopie (dTDLAS) beruhen. Durch die sogenannte „Bypass-Kalibration“ werden die Vorteile Abschluss der internationalen Ringvergleichs- beider Spektroskopie-Techniken kombiniert, um so programme „Tests of Enclosures“ und „Battery die Empfindlichkeit des OGS – ohne eine Kalibrie- Testing“ rung mittels gasförmiger Standards – weiter steigern Die Teilnahme an Ringvergleichsprogrammen ist zu können. (O. Werhahn, T. Benoy, Z. Qu, V. Ebert, eine Anforderung der ISO/IEC 17025 und IECEx für FB 3.4, olav.werhahn@ptb.de) Prüflaboratorien im Bereich des Explosionsschutzes hinsichtlich der Notwendigkeit, ihre Kompetenz MefHySto: Metrology for Advanced Hydrogen nachzuweisen. Es ermöglicht eine Leistungsbewer- Storage Solutions tung der Prüflaboratorien für spezifische Prüfungen In dem von der BAM koordinierten Forschungspro- oder Messungen und hilft, Unterschiede zwischen den jekt EMPIR-19ENG03 MefHySto zum Themenbereich Laboren zu identifizieren. Darüber hinaus ist es ein der Wasserstoffwirtschaft beteiligen sich die AG 3.42 wirksames Instrument, um die Vergleichbarkeit von und 3.41 an der Untersuchung laserspektrometrischer Prüf- und Messverfahren zu untersuchen. Im Rahmen Messverfahren zur Quantifizierung gasförmiger Ver- des IECEx / PTB Ex Proficiency Testing Schemes unreinigungen in Wasserstoff. Aufgabe der PTB im entwickelt die Arbeitsgruppe 3.54 mit Unterstützung Projekt MefHySto ist dabei die Bestimmung kleinster der Fachbereiche 3.5, 3.6 und 3.7 Ringvergleichs- Beimengungen von Wasserdampf im Wasserstoffgas, programme zu Ex-Schutz relevanten Kenngrößen, die zu Verlusten, Schädigungen und einer Sicherheits- Charakteristika und Messgrößen. Während das Pro- beeinträchtigung von Speicher- und Umwandlungs- gramm „Tests of Enclosures“ die Schwerpunkte auf prozessen führen würden. (O. Werhahn, J. Nwaboh, Schlagfestigkeit, thermische Stabilität und IP Schutz- V. Ebert, R. Deschermeier, FB 3.4, olav.werhahn@ptb. grade bei Gehäusen legt, stehen für das Programm de) „Battery Testing“ Oberflächentemperaturen und Innenwiderstände bei Zellen und Batterien im Fokus. Nachhaltige Wasserstoff-Verbrennungskonzepte Beide Programme mit insgesamt 88 internationalen Grüner Wasserstoff kann als kohlenstofffreier und re- Prüflaboratorien wurden nach zweijähriger Laufzeit generativer Energieträger maßgeblich dazu beitragen, erfolgreich abgeschlossen. Die Ergebnisse aus den zukünftig die Treibhausgasemissionen signifikant zu Programmen tragen maßgeblich dazu bei, die Ver- senken. Das niedersächsische Ministerium für Wis- gleichbarkeit zwischen Ex-Prüflaboratorien weltweit senschaft und Kultur fördert daher Innovationslabore zu erhöhen. Außerdem bildet die aktive Einspeisung zur weiteren Entwicklung der Wassertechnologie. der Erkenntnisse in die entsprechenden Normengre- Für die Konzeptionsphase wurde ein gemeinsamen mien die Basis für die Modifizierung der verwendeten Forschungsvorhabens der Fachbereiche 3.3 und 3.5 Prüfverfahren. (T. Krause, J. Wu, L. Ostermann, mit verschiedenen niedersächsischen Partnern zur FB 3.5, tim.krause@ptb.de) Ausarbeitung der Forschungsansätze und eine weitere Vertiefung der Kooperation ausgewählt. Im Fokus ERC Projekt „Preventing Explosions – How do Pow- stehen hierbei nachhaltige Wasserstoff-Verbren- der Flows Electrify?“ nungskonzepte für den Einsatz von Wasserstoff in Die Elektrostatik und die Turbulenz sind bereits thermischen Kraftwerken oder Verbrennungsmoto- jeweils für sich herausfordernde Fachgebiete. Deren ren. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Effizienz Interaktion ist daher noch komplexer und ein Ver- der thermochemischen Nutzung von Wasserstoff zu ständnis ist bislang nicht erreicht. Deshalb führen bis steigern sowie den Schadstoffausstoß zu minimie- heute elektrostatische Aufladungen von Pulverströ- ren. Neben verschiedenen Untersuchungen zu den mungen zu Unfällen in der verfahrenstechnischen Zündprozessen und der Reaktionskinetik tragen die Industrie. Dies soll sich durch das neue ERC Projekt beiden Fachbereiche so auch zur Stärkung der met- „Preventing Explosions – How do Powder Flows 13
Abteilungsbericht 2020 – Abteilung 3 Electrify?“ ändern. In den fünf Jahren Laufzeit des Experimentelle Messung der Wirbelstromverluste in Projektes werden genaue Ladungsmessungen an den Magneten elektrischer Maschinen mittels eines Einzelpartikeln durchgeführt, um neue numerische von einem Frequenzumrichter erzeugten PWM- Modelle zu entwickeln. Diese Modelle werden dann Signals. in das Simulationstool pafiX implementiert. Die Si- Aktuelle industrielle Anwendungen erfordern zuver- mulationsergebnisse werden anschliessend durch ein lässige elektrische Antriebe mit hoher Leistungsdichte Pulverexperiment validiert. Bei diesem Experiment und guter Regelbarkeit, wobei insbesondere auch ein kommt ein neuentwickeltes Messverfahren zum möglichst guter Wirkungsgrad einen hohen Stellen- Einsatz, mit dem es möglich ist, die elektrische Aufla- wert hat. dung von Pulver online, also direkt an der Strömung, Ein diese Anforderungen in idealer Weise erfüllendes zu messen. (H. Grosshans, FB 3.5, holger.grosshans@ Antriebskonzept ist die permanentmagneterregte ptb.de) Synchronmaschine in Kombination mit einem Fre- quenzumrichter. Es ist insbesondere wegen der hohen Spektroskopische Untersuchungen zum Zusammen- Energieeffizienz davon auszugehen, dass zukünftig hang zwischen einer elektrischen Kontaktentladung dieses Antriebskonzept auch in explosionsgefährdeten bei einer langsamen Kontaktöffnung und der Flam- Bereichen immer häufiger zum Einsatz kommen menfront in einem zündfähigen H2/Luftgemisch. wird. (N. Yogal; C. Lehrmann; FB 3.6, nijan.yogal@ Elektrische Entladungen bei Kontaktunterbrechungen ptb.de; M. Henke; Institut für elektrische Maschinen, sind eine potentielle Zündquelle für brennbare Gas- Antriebe und Bahnen, Technische Universität Braun- gemische. Daher müssen elektrische Geräte, in denen schweig, Braunschweig, Deutschland) elektrische Kontaktunterbrechungsentladungen auftreten können, Sicherheitsanforderungen erfüllen, wenn sie in explosionsgefährdeten Bereichen einge- setzt werden. Die durch langsame Kontaktunterbre- chungen erzeugten elektrischen Entladungen wurden in früheren Artikeln der Autoren charakterisiert. Die entsprechenden Entladungen in der Nähe der Min- destzündenergie (17 μJ für Wasserstoff-Luft-Gemisch) treten typischerweise bei Spannungen unter 30 V und Strömen über 30 mA auf. Diese Entladungen werden von Metalldampf dominiert, der sich aus der optischen Strahlung ableiten lässt. Prozesse, die sowohl auf unterschiedlichen Zeitskalen (Nano-, Mikro- und Millisekunden) als auch auf unterschied- lichen räumlichen Skalen (Mikro- und Millimeter) ablaufen, stellen eine erhebliche Herausforderung für optische Untersuchungen dar. In diesen Unter- suchungen werden die relevanten elektrischen und spektroskopischen Parameter (zeitlich und örtlich) der Entladung sowie die mechanischen Parameter der Kontaktöffnung gegenübergestellt. Die gewonnenen Daten sollen als Grundlage für die Modellierung und als Unterstützung für die Normung dienen. (C. Uber; M. Hilbert; F. Lienesch; FB 3.6, carsten.uber@ptb. de; J. Brunzendorf; FB 3.5; S. Franke; D. Uhrlandt; Leibniz Institute for Plasma Science and Technology (INP), Greifswald, Deutschland) 14
Physikalisch-Technische Bundesanstalt Bundesallee 100 Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt, 38116 Braunschweig das nationale Metrologieinstitut, ist eine Abteilung 3 | Chemische Physik und Explosionsschutz wissenschaftlich-technische Bundesoberbehörde im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Sekretariat Wirtschaft und Energie. Andrea Reitmann Telefon: (0531) 592-3011 E-Mail: andrea.reitmann@ptb.de https://www.ptb.de/cms/ptb/fachabteilungen/abt3.html Stand: 3 / 2021
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