Grüner Wasserstoff aus der Wasserelektrolyse ist kein Thema strategischer Präsentationen mehr – ab 2024 starten die ersten 100-MW+-Projekte in Europa, und im Jahr 2026 kämpft die Branche mit zwei ernüchternden Problemen: der Skalierung von Elektrolyseur-Stacks und der Aufrechterhaltung der Wasserstoffqualität in langen Lieferketten. In beiden Fällen kommt die Prozessanalytik dort zum Einsatz, wo früher periodische Laborproben ausreichten. Raman-Spektroskopie – operando an den Elektroden, als Produktgas-Monitoring, als Rohstoffkontrollausrüstung – taucht in immer mehr Publikationen und Projektspezifikationen auf.

In Gekko Photonics entwerfen und fertigen wir in Polen Prozess-Raman-Analysatoren – in den Varianten inline, at-line/lab und tragbar. Die meisten Implementierungen haben wir in der Prozesschemie: bei Harzen, und eben Düngemitteln. Im AdBlue-Bereich arbeiten wir sowohl mit Rohstoffherstellern als auch mit Abfüllanlagen, die die 32,5 %-Lösung für den Einzelhandel konfektionieren., Düngemitteln,, Klebstoffen und Kohlenwasserstoffen. Bei Projekten mit Wasserstoff und Elektrolyseuren gehen wir im Planungsmodus vor – wir prüfen an Kundenproben, ob Raman die geeignete Methode für den jeweiligen Analyten und die Matrix ist, bevor jemand CAPEX bindet. Dieser Artikel ordnet ein, wo Raman in der Wasserstoffkette tatsächlich zum Einsatz kommt und welche Einschränkungen vor einem Gespräch über die Machbarkeit bekannt sein müssen.

Warum Elektrolyseure ein dankbares, aber anspruchsvolles Gebiet für die Spektroskopie sind

In einem Wasserelektrolyseur geschieht in kurzer Zeit und auf kleinem Raum vieles: An der Kathode läuft die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) ab, an der Anode die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER), dazwischen arbeitet eine Membran oder ein Diaphragma, in dem der Ionentransport von der Reinheit des Elektrolyten, der Polymerzusammensetzung und der Temperatur abhängt. Jeder dieser Bereiche hat seine spektralen Marker – Schwingungsbanden von Wassermolekülen, die an der Katalysatoroberfläche adsorbiert sind, Banden von Metall-Sauerstoff-Bindungen in sich reorganisierenden Nickel- und Eisen-Oxyhydroxiden, C-F-, C-O-C- und SO₃H-Banden in Polymermembranen. Für ein Team, das das typische Spektralfenster von 200–1800 cm⁻¹ kennt, ist die Elektrolyse ein informationsreiches Gebiet.

Das Problem besteht darin, dass die Messung unter den Bedingungen erfolgen muss, unter denen das Gerät arbeitet – unter Strom, in Gegenwart von Gasblasen, manchmal bei hohem Druck und Temperaturen von 60–90 °C bei alkalischen Elektrolyseuren. Dies erzwingt spezielle konstruktive Kompromisse. Daher betreffen die meisten Publikationen der letzten Monate Laboraufbauten – 3D-gedruckte Zellen mit Saphirfenstern, SERS-Sonden, Kopplung mit dem operando-elektrochemischen Modus – und keine vollständigen Industrieanlagen.

Drei Bereiche, in denen Raman in die Wasserstoffkette einsteigt

1. Operando F&E – Reaktionsmechanismen und Katalysatordegradation

Die heute am weitesten verbreitete Anwendung. Teams, die Katalysatoren für HER und OER entwickeln, nutzen Raman in situ, um die Rekonstruktion der Elektrodenoberfläche unter Polarisation zu verfolgen. Ein Übersichtsartikel in ACS Catalysis aus dem Jahr 2023 systematisiert, wie SERS und operando Raman Zwischenzustände von Wassermolekülen und Metall-Wasserstoff-Bindungen aufdecken; neuere Arbeiten zeigen u.a. das Verhalten von NiMoO₄ in neutralem Elektrolyten oder Wasserstoff-Spillover auf metallischen Oberflächen. Operando Raman wird auch zur Diagnose der Degradation von Anionenaustauschmembranen (AEM) eingesetzt – in einer Publikation im JACS 2024 beschrieb ein Team die Oxidationsprodukte des Ionomers unter Betriebsbedingungen eines AEM-Elektrolyseurs. Dies ist eine Art von Daten, die eine Post-Mortem -Analyse einfach nicht liefern kann: Nach der Entnahme der Probe aus der Zelle ist das Signal bereits verschwunden.

Hardware-Anforderung für F&E: Den Strahl auf die Elektrodenoberfläche fokussieren (typischerweise ein 20×- oder 50×-Objektiv durch ein Saphirfenster), mit 785 nm oder 532 nm arbeiten, abhängig von der Fluoreszenz, und einen ausreichend empfindlichen Detektor haben, um das schwache SERS-Spektrum in Gegenwart eines starken Hintergrundsignals aus dem Elektrolyten aufzuzeichnen. Dies sind Bedingungen eines Labor- oder Mikroskopspektrometers, nicht einer Prozesssonde.

2. Qualitätskontrolle des Produktgases – Spurenverunreinigungen in H₂

Wasserstoff für Brennstoffzellen muss Reinheitsanforderungen im Bereich von Bruchteilen von ppm für kritische Verunreinigungen (CO, S, NH₃, H₂O, Kohlenwasserstoffe, Inertgas) erfüllen. Traditionell werden hier Gaschromatographie, kompakte GC-MS und elektrochemische Sensoren eingesetzt. Raman-Gasanalyse hält langsam Einzug in diese Nische – als reagentienfreie Technik, die keine Punktkalibrierung erfordert und eine gleichzeitige Ablesung mehrerer Komponenten aus einem einzigen Spektrum ermöglicht.

Empfindliche Raman-Gasanalyse mit einer Multipass -Konfiguration (mehrfache Strahlreflexionen durch eine Gasküvette) erlaubt heute die Detektion von Wasserstoff und seinen Hauptverunreinigungen im ppm-Bereich ohne chromatographische Trennung – beschrieben wird dies in einer Arbeit in Sensors (MDPI) über Spurenwasserstoff-Nachweis durch Multipass-Raman-Streuung. Für uns klingt dies vielversprechend als Ergänzung zu schnellen GCs an Abfüllstationen und Qualitätskontrollpunkten, aber jedes Projekt erfordert eine Validierung am realen Strom – Rauschen durch Aerosol-Fluoreszenz, Fensterreinheit und Laserstabilität sind real. Dies ist noch keine Plug-and-Play-Technologie.

3. Überwachung des Elektrolyten und der Hilfsmedien

In alkalischen Elektrolyseuren wird typischerweise mit 25–32% KOH gearbeitet; in der AEM-Technologie tauchen verdünnte KOH-Lösungen oder reines Wasser + Ionomer auf. Die Elektrolytkonzentration, sein Abbau, die Akkumulation von Verunreinigungen aus dem Rohwasser, das Vorhandensein von aus den Elektroden ausgewaschenen Metallionen – all dies sind Parameter, die die Effizienz und Lebensdauer des Stacks beeinflussen. Raman im Inline-Modus kann hier ein Kandidat für eine Referenzmessung neben der klassischen Konduktometrie und Densitometrie sein, insbesondere wenn die Zusammensetzung anionischer Ionen (Carbonate, Sulfate, Silicate) und organischer Abbauprodukte des Ionomers von Interesse ist.

Dies ist der Bereich, der dem am nächsten kommt, was die Prozess-Raman-Spektroskopie am besten kann – Messung in einer Prozessflüssigkeit, Eintauchsonde, Erstellung eines chemometrischen Multikomponentenmodells. Hier ist die Anpassung der allgemeinen Industrieplattform am einfachsten – wenn der Kunde Elektrolytproben im typischen Arbeitsbereich zeigt.

Einschränkungen, die vor dem Projekt beachtet werden müssen

• Fluoreszenz der Matrices – Teile technischer Elektrolyte mit organischen Zusätzen ergeben einen starken Fluoreszenzhintergrund. 785 nm reicht normalerweise aus, aber in einigen Fällen muss auf eine längere Anregung (1064 nm) zurückgegriffen werden, die eigene Kompromisse mit sich bringt (Detektorempfindlichkeit, Kosten).
• Gasblasen in der Zelle – Messung unter Strom bei intensiver H₂- oder O₂-Entwicklung erfordert eine durchdachte Messgeometrie; dünne Schicht, Backscatter-Sonde mit Platz für Blasenentweichung oder ein schmales Zeitfenster, synchronisiert mit dem Systembetrieb.
• Temperatur und Druck – Industrielle Stacks arbeiten unter Drücken von 30–50 bar, einige SOEC-Projekte bei Temperaturen von 700–800 °C. Standard-Prozessausrüstung betrifft normalerweise Temperaturen unter ~120 °C und Drücke im Bereich weniger bar; eine direkte Messung im SOEC-Stack existiert praktisch nicht. Sinnvolle Messpunkte sind Nebenstromströme, Kondensatoren, Phasentrenner.
• Akquisitionszeit vs. Dynamik – Typische Prozess-Raman-Spektroskopie für Flüssigkeiten sammelt ein Spektrum in einzelnen zehn Sekunden; für Gas im Multipass-Modus dauert es Minuten. Für die meisten Überwachungen von Elektrolyseuren reicht dies aus, aber schnelle Transienten (Start, Shutdown, Lastwechsel) erfordern andere Referenztechniken.
• Fehlende fertige chemometrische Modelle für Elektrolyseur-Elektrolyte – im Gegensatz zur Kosmetik- oder Harzchemie, wo Spektrenbibliotheken und PLS-Modelle bereits etabliert sind, muss für Wasserstoff ein Modell von Grund auf an Kundenproben erstellt werden.

Marktlage der Elektrolyseure im Jahr 2026.

Aus Sicht eines Analytik-Anbieters sind drei Beobachtungen wesentlich. Erstens behält PEM eine starke Position in neuen Projekten mittlerer Größe (Marktanalysen für 2026 geben ihm typischerweise etwa 35–40% Anteil im Segment moderner Elektrolyseure neben der ausgereiften alkalischen Technologie), und AEM wächst schnell als Kostenkompromiss zwischen alkalisch und PEM. Zweitens ist die Verfügbarkeit von Iridium (Schlüsselkatalysator für OER in PEM) ein realer Flaschenhals für die Skalierung – die weltweite Produktion von etwa 7 Tonnen pro Jahr, zu 80% aus Südafrika, treibt intensive Arbeiten zur Reduzierung der Katalysatorbeladung und zum Materialersatz voran. Drittens gibt es in der Lieferkette immer mehr Punkte, an denen die Gasqualität überprüft werden muss: Tankbefüllung, Transfer zum Lager, Tankstellen, Schwerlastmobilitätsketten. Jeder dieser Punkte ist ein potenzieller Standort für Analysegeräte.

Raman-Spektroskopie – Anpassungsmöglichkeiten für Wasserstoff und Elektrolyseure

Unsere Analyseplattform ist als allgemeine Industriefamilie konzipiert, die wir im Projektmodus an spezifische Chemien anpassen. Im Kontext von Wasserstoff sehen wir sie wie folgt:

• Spectrally X1 LAB – stationärer Analysator mit Karussell für bis zu 25 Vials, Analyse durch transparente Verpackungen hindurch (through-package). Ein natürlicher Einstieg für F&E-Teams, die Katalysatoren entwickeln, die Zusammensetzung von Elektrolytproben verifizieren oder Modellzusammensetzungen vor dem Übergang zu Inline-Lösungen überwachen. Arbeitet mit 785 nm, einem rückseitig belichteten CCD-Detektor mit thermoelektrischer Kühlung und chemometrischer Software Spectrally OS. Für anspruchsvolle Operando-Konfigurationen kann eine externe Sonde angeschlossen werden.
• Spectrally X1 INLINE – Prozessanalysator mit einer Eintauchsonde, die in einen Rohrleitungs- oder Behälterstutzen montiert wird. In der Wasserstoffpraxis sehen wir ihn zuerst bei der Elektrolytüberwachung (alkalisches KOH, AEM-Ionomer, Speisewasser), DI-Wasserströmen und in einigen Konfigurationen zur Messung des flüssigen Produkts nach der Kompression. Die Sonde Spectrally X1 PROBE mit der selbstreinigenden Komponente Retractex ist dort sinnvoll, wo sich Ablagerungen bilden – in typischen Elektrolyten eher selten, aber in Kreisläufen mit Eisen-/Nickel-Verunreinigungen aus langfristig ausgewaschenen Elektroden kann sie erforderlich sein.
• Spectrally X1 PORTABLE – Im Koffer, mit integriertem Touchscreen, IP54, zur mobilen Überprüfung von Rohstoffen (z.B. KOH-Sole, Elektrolytzusätze, Kathodenmaterialien vor der Montage) und für Qualitätsaudits vor Ort. Praktisches Szenario: Ein Wartungsteam fährt mit dem Koffer zur Anlage, führt eine schnelle Referenzmessung durch und kehrt mit Daten zurück.
• Spectrally OS – Software-Ebene, die für die gesamte X1-Familie gemeinsam ist: PLS- und CNN-Modelle, Bibliothek mit ~28.000 Referenzspektren, Archivierung, Integration in DCS/MES. Sorgt für Datenkonsistenz zwischen Labor und Linie – ein im LAB validiertes Modell kann im INLINE-Modus angeschlossen werden.

Wir deklarieren heute kein Einsatzportfolio im Wasserstoffbereich – dies ist für uns ein Projektgebiet. In der Praxis bedeutet dies, dass wir jedes ernsthafte Thema mit einer Machbarkeitsstudie an Kundenproben beginnen: Wir sammeln Spektren, prüfen, ob eine ausreichende spektrale Selektivität für den interessierenden Analyten besteht, und sprechen erst dann über Sonde, Integration und CAPEX. Siehe auch unseren Entscheiderleitfaden zu Raman im chemischen Prozess – die meisten ingenieurtechnischen Prinzipien aus der Prozesschemie lassen sich 1:1 auf Elektrolyseure übertragen.

FAQ – Häufig gestellte Fragen

Wird Raman die Gaschromatographie bei der Messung der Wasserstoffreinheit ersetzen?
In den meisten Fällen wird es sie nicht ersetzen, sondern ergänzen. GC bleibt die Referenz für Spurenverunreinigungen unterhalb weniger ppm; Raman kommt als schnelle, reagentienfreie Messung mehrerer Komponenten gleichzeitig zum Einsatz, insbesondere dort, wo die Antwortzeit zählt (z.B. schnelle Entscheidung über die Annahme einer Charge).

Welche Anregungswellenlängen sind für Wasserstoff und Elektrolyseure sinnvoll?
Am häufigsten 785 nm – ein guter Kompromiss zwischen Empfindlichkeit und Hintergrundfluoreszenz. Für stark fluoreszierende Matrices wird 1064 nm in Betracht gezogen. 532 nm bewährt sich hauptsächlich bei der SERS-Arbeit an metallischen Elektroden unter Laborbedingungen.

Kann man direkt im Elektrolyseur-Stack unter Druck messen?
Eine direkte Messung in einem unter 30–50 bar arbeitenden Stack ist unter Laborbedingungen mit Operando-Zellen möglich, aber auf industrieller Ebene ist es praktischer, in Nebenstromströmen zu messen: Phasentrenner, Elektrolytkreisläufe, Kondensatoren, Produktgasleitungen nach Druckreduzierung. Dort hat die Standard-Prozessausrüstung akzeptable Betriebsrahmen.

Hat Gekko Implementierungen in der Wasserstoffproduktion?
Die meisten Implementierungen haben wir heute in der Prozesschemie – Harze, Kosmetika, Düngemittel, Klebstoffe, Kohlenwasserstoffe. Im Wasserstoffbereich gehen wir projektbezogen vor: An Kundenproben prüfen wir in einem Machbarkeitszyklus, ob Raman die geeignete Methode für den jeweiligen Analyten und die Matrix ist, bevor der Kunde CAPEX bindet. Ein solcher Zyklus dauert typischerweise 2–4 Wochen und schließt mit einem Bericht mit Empfehlung ab.

Was ist mit SOEC-Elektrolyseuren, die bei 700–800 °C arbeiten?
Bei dieser Temperatur liegt eine Raman-Messung im Stack praktisch außerhalb des Bereichs der Standardausrüstung. Sinnvolle Messpunkte sind Ströme nach Wärmetauschern und Kondensatoren, wo die Temperatur auf für die Sonde akzeptable Bedingungen fällt. Die Konfiguration einer solchen Messung entwerfen wir individuell.

Lassen Sie uns über Ihren Prozess sprechen

Bei uns, bei Gekko Photonics, beginnt jedes wasserstoffbezogene Projekt mit einem kurzen technischen Gespräch (typischerweise ein 30-minütiges Meeting mit einem Applikationsingenieur), in dem wir Folgendes klären: Art des Elektrolyseurs, Ort der geplanten Messung, verfügbare Proben, erwarteter.

Zapraszamy do kontaktu przez Kontaktseite albo bezpośrednio na adres spectrally@gekkophotonics.com. Pełną ofertę rodziny analizatorów Spectrally X1 znajdziecie w sekcji produktowej.