Ziel der Entwicklung

Das gesetzte Ziel des Projektvorhabens war es, aus einem innovativem Wasserstoffsensor und einer adäquaten Optik, eine H2-Sensoreinheit herzustellen. Daraus sollte eine funktionstüchtige Hybrideinheit generiert werden, welche für die Alarmgebung beim Überschreiten von kritischen Wasserstoffkonzentrationen (Explosionsprävention) genutzt werden kann. Die Vorteile gegenüber herkömmlichen Wasserstoffsensoren sind die optische Reaktivierung (welche nur einmal täglich durchgeführt werden muss um die Ansprechzeit des Sensors gering zu halten) und die Möglichkeit einer kostengünstigen Fertigung großer Stückzahlen, welche durch die Verwendung von Standard-halbleitertechnologien ermöglicht wird.
Es sollten Möglichkeiten der optischen Reaktivierung des Systems und der sensitiven Wasserstoffdetektion, mittels Photostrommessung geprüft werden.
Der Einsatz einer optischen Heizung ermöglicht eine sehr homogene Reaktivierung des Gate-Bereiches. Die Wahl geeigneter Emissions-Wellenlängen der Strahlungsquelle, um selektiv definierte Schichten thermisch zu behandeln, sollte zusätzlich geprüft werden.
Der Energieverbrauch und die Explosionsgefahr durch hohe Spannungen werden durch den Einsatz einer Heizung, mittels Lichtstrahlung verringert. Die Fokussierung der Laserstrahlung, durch geeignete optische Aufbauten, ermöglicht ein reduziertes Gate. Dadurch kann die Struktur weiter miniaturisiert und der Energieverbrauch gleichzeitig gesenkt werden. Zunächst sollte ein leistungsstarkes Lasersystem im Labormaßstab getestet werden, um die Funktionsfähigkeit des Prinzips zu prüfen und wichtige Parameter zu bestimmen. Ziel des Projektes war ein Demonstrator, welcher als kompaktes Bauelement realisiert werden sollte. Umfassende Tests im Labor und unter praxisnahen Bedingungen sollen dessen Funktions- und Einsatzfähigkeit prüfen.

Vorteile und Lösungen

Durch den sich vollziehenden Wandel in der Klima- und Energiepolitik werden alternative Energien und somit auch Wasserstoff als Energieträger zunehmend interessanter. Auch die Anwendung in privaten Haushalten rückt dabei zunehmend in den Vordergrund. Da Wasserstoff bei schon geringen Konzentrationen (vier Prozent) zu Explosionen führen kann, ist gerade auch in nichtindustriellen Anlagen eine überwachung der Räume mit Wasserstoffsensoren notwendig. Die wachsende Bedeutung der Wasserstofftechnologie und somit auch von Explosionsprävention wird
einen großen Bedarf an Wasserstoffsensoren in vielen Bereichen entstehen lassen. Dieser kann sich auf mehrere 100 Millionen Stück pro Jahr weltweit belaufen. Durch die Ergebnisse dieses Projekts können erweiterte Anwendungsfelder für einen Massenmarkt tauglichen, optisch
geheizten Wasserstoffsensor in einem energieautarken System abgedeckt werden.
Der konzipierte Sensor hat, aufgrund seines geringen Energieverbrauchs und der optischen Reaktivierungsmethode, Alleinstellungsmerkmale. Dieses Messsystem könnte unter anderem für Anwendungen in explosionsgefährdeter Umgebung von Interesse sein, da durch den Einsatz von LED keine direkte Gefährdung für das System besteht. Ein potentielle Absatzmarkt ist vorhanden, wobei insbesondere das Interesse an dem entwickelten Sensor zur Überwachung der Wasserstoffkonzentration steigend ist. Bislang konnte keine andere Entwicklung beobachtet werden, welche den hier aufgestellten Anforderungen eines kostengünstigen und sparsamen, optisch reaktivierbaren Wasserstoffsensors gerecht wird. Es wurden auch keine gefährdenden Schutzrechte gefunden. In weiteren Unternehmungen wird der Sensor näher an die Marktreife herangebracht werden. Dabei sind Ansätze zu optimieren, welche die Energieeffizienz und die Wirtschaftlichkeit des Sensorsystems, sowie dessen Herstellungsprozesse betreffen.
Die aktuelle Situation am Markt und die prognostizierte Entwicklung lässt eine optimistische Grundhaltung in Betracht des Markteintritts zu. Andere Sensoren, welche permanent bei hohen Temperaturen arbeiten, reagieren etwas schneller, sind aber auch aufwendiger zu installieren und verbrauchen mehr Energie. Zudem ist die Betriebsweise der Heizung eine zusätzliche Gefahrenquelle bei hohen Wasserstoffkonzentrationen.
Diese Aspekte in Verbindung mit einem oft hohen Anschaffungspreis sind für viele Anwendungen wenig attraktiv. Für den hier entwickelten Sensor sind einfache und kostengünstige Komponenten aus dem Massenmarkt, wie beispielsweise handelsübliche LED verwendet worden, was die Kosten pro Stück verringert. Die Reaktivierung mittels LED kann ohne aufwendige strukturelle Veränderung für explosionsgefährdete Anwendungen eingesetzt werden.

Zielgruppe und Zielmarkt

Der Einsatz von Wasserstoff bei einem prognostiziertem Anteil von etwa fünf Prozent in der Automobilindustrie bis 2030 und auch bei Brennstoffzellen- Anwendungen im Millionenstück-Bereich, ist eine große Nachfrage an zuverlässiger Sensorik zu erwarten. Dieser Bedarf ist nur durch einen günstigen, in hoher Stückzahl verfügbaren und auch flexibel einsetzbaren Sensor zu decken. Es kann also von einer guten Stellung des konzipierten Sensorsystems für potentielle Produzenten auf dem Markt ausgegangen werden. Aufgrund der vergleichsweise wirtschaftlichen Fertigung durch Halbleitertechnologie und der geringen Betriebskosten nach Installation sollte die Attraktivität einen signifikanten Marktanteil zur Folge haben. Die erzielbaren Stückpreise von unter 50 Euro und der geringe Energiebedarf sind gute Voraussetzungen für potentielle Produzenten einen Marktanteil im zweistelligen Bereich zu erreichen. Der Fertigungs- und somit auch der Endverbraucherpreis der Sensoren ist, wie für Halbleiterbauelemente typisch, extrem von der Zahl der abgesetzten Sensoren abhängig. Wird der Gesamtmarkt betrachtet sind Zahlen im Bereich > 108 Stück zu erwarten, sodass der Stückpreis unter einem Euro angesetzt werden kann. Selbst in der Phase einer ersten Markteinführung mit Stückzahlen um 5000 wären Stückkosten von unter 100 Euro realistisch.
Mit diesem Produkt soll ein neuer Massenmarkt erschlossen werden, bei dem allein für den deutschen Markt Stückzahlen im Millionenbereich zu erwarten sind. Durch die relativ hohe Anzahl der für eine flächendeckende überwachung benötigten Sensoren sind geringe Sensorkosten Voraussetzung für deren wirtschaftlichen Einsatz. Als fertiges Produkt versteht sich letztendlich ein Sensorsystem mit der notwendigen Elektronik und Spannungsversorgung in einem Gehäuse mit geeigneten Filtereinrichtungen und einem Funkübertragungsmodul.