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Untersuchung thermophysikalischer Eigenschaften von Gasen für die Energiewende und das optische Pascal

In der Arbeitsgruppe wurde eine neue Messapparatur zur Bestimmung der Polarisierbarkeit sowie der dielektrischen und Dichtevirialkoeffizienten von Gasen aufgebaut [1]. Kernstück sind vier Messkammern mit zylindrischen, hochstabilen Messkondensatoren, die über ein hochreines, symmetrisches Gashandlingsystem miteinander verbunden sind. Dieser Aufbau ermöglicht die Kombination zweier komplementärer Messverfahren. Zum einen die Dielektrizitätskonstanten-Gasthermometrie (DCGT), mit der bereits erfolgreich Polarisierbarkeiten [2] und kombinierte Virialkoeffizienten verschiedener Edelgase bestimmt wurden [3], und zum anderen Expansionsexperimente nach dem Vorbild von Burnett, die eine Unterscheidung zwischen dielektrischen und Dichtevirialkoeffizienten zulassen [4]. Die Druck-, Kapazitäts- und Temperaturmessung wird mit kommerzieller Messtechnik realisiert, wobei die direkte Rückführung auf die Normale der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt es gestattet, die Leistungsparameter der Geräte über die Spezifikationen der Hersteller hinaus auszuschöpfen.

Von besonderem Interesse sind zum einen Gase, die für die Energiewende relevant sind, wie zum Beispiel Wasserstoff. Dieser könnte helfen eine der zentralen Herausforderung der Energiewende zu meistern. Die Stromerzeugung mit regenerativen Energien wie Photovoltaik oder Windenergie unterliegt oft großen zeitlichen Schwankungen. Eine Möglichkeit den Strom effizient zwischen zu speichern liegt in der Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse (Power to Gas). Der erzeugte Wasserstoff kann dann in Brennstoffzellen CO2 neutral rückverstromt oder aber in das bereits bestehende Erdgasnetz eingespeist werden. Die sich im zweiten Fall ändernden thermophysikalischen Eigenschaften des Erdgases müssen auf hohem Level bekannt sein, um eine richtige Abrechnung zu gewährleisten. Die Entwicklung der dabei zu Grunde liegenden Zustandsgleichung macht Messungen der Mischungen aus Wasserstoff und den verschiedenen Erdgaskomponenten notwendig.

Ein zweites wichtiges Feld bilden Gase für metrologische Anwendungen. Das sind insbesondere Edelgase wie Helium oder Argon deren Eigenschaften auf höchstem Niveau vermessen werden um entweder die Unsicherheiten bereits etablierter Messverfahren wie der Gasthermometrie zu verringern, oder auch die Entwicklung neuer Messmethoden zu ermöglichen. Dazu zählt insbesondere die optische Druckmessung, an deren Entwicklung die PTB arbeitet. Die Idee ist es klassische Druckmessverfahren, die nach dem Prinzip Druck gleich Kraft pro Fläche arbeiten, durch laserbasierte Verfahren zu ersetzen. Gemessen wird dabei der Brechungsindex des Messgases aus dem bei bekannten Realgaseigenschaften die Teilchendichte und damit über die Dichtevirialkoeffizienten auch der Druck bestimmt werden kann.

Design of the new apparatus based on the dielectric-constant gas thermometer principle with four identical cylindrical capacitors. The measurement cells are mounted on a massive copper plate to ensure thermal equilibrium. All surfaces, which are exposed to the measuring gas, are gold plated to prevent hydrogen absorption.

Literatur

1. C. Guenz, C. Gaiser, M. Richter, Concept of a new technique for the combined determination of dielectric and density virial coefficients, Meas. Sci. Technol. 28 (2017) 027002

2. C. Gaiser and B. Fellmuth, Polarizability of Helium, Neon, and Argon: New Perspectives for Gas Metrology, PRL 120 (2018) 123203

3. C. Gaiser and B. Fellmuth, Highly-accurate density-virial-coefficient values for helium, neon, and argon at 0°C determined by dielectric-constant gas thermometry, J. Chem. Phys. 150 (2019) 134303

4. E. S. Burnett, Compressibility determinations without volume measurements, J. Appl- Mech. 3 (1936) A136