Wasseranalyse – von Verunreinigungen bis Explosionsgefahr
März 6, 2025
Prozess- und Abwässer müssen genau überwacht werden, denn verunreinigtes Wasser kann in Anlagen und Umwelt erhebliche Schäden verursachen. Für die Überwachung der Wasserkreisläufe bietet die Firma Swan verschiedene Analyseinstrumente. In explosionsgefährdeten Bereichen sorgt eine Überdruckkapselungslösung von Pepperl+Fuchs dafür, dass diese Komponenten keine potenzielle Zündquelle darstellen.
Wasser wird in der Industrie an vielen Stellen in unterschiedlichen Aggregatzuständen und Qualitäten eingesetzt – ob als Kühlwasser, als Dampf in Crackprozessen oder als reines, entmineralisiertes Wasser in der Halbleiterindustrie, Pharmaproduktion und in Elektrolyseuren für die Erzeugung von grünem Wasserstoff. Im Laufe der Nutzung kommt es zwangsläufig zu Verunreinigungen, die genauestens analysiert und kontrolliert werden müssen. Je nach Prozess und Industrie gibt es dabei unterschiedliche Toleranzwerte, wann das Wasser entsprechend aufbereitet werden muss, bevor es zu Schäden in der Anlage kommt oder verunreinigtes Wasser in die Umwelt gelangt. Die Probenentnahme und -analyse findet hierbei häufig in Bereichen statt, die als explosionsgefährdet klassifiziert sind. Daher sind entsprechende Explosionsschutzvorkehrungen unerlässlich.
Online-Wasseranalyse – von industriellem Prozesswasser bis Wasser- und Dampfkreislauf
Ob schwer belastet oder partiell verunreinigt, wie etwa Rücklaufkondensate, das Wasser muss früher oder später eine Aufbereitung durchlaufen, bevor es wiederverwendet oder abgeleitet werden kann. Hier kommt das Schweizer Unternehmen Swan Analytische Instrumente AG als Hersteller für Online-Analyseinstrumente zur kontinuierlichen Überwachung der Wasserqualität ins Spiel. Das Unternehmen mit Sitz in Hinwil, nahe Zürich, ist ein weltweit führender Anbieter von Online-Wasseranalysesystemen. Diese analysieren die Anteile im Wasser gelöster Stoffe und geben die Parameterwerte direkt an die Prozesssteuerung weiter. Swan bietet eine Vielzahl an Lösungen, von einzelnen Messumformern und betriebsfertigen Analysemonitor-Baugruppen bis hin zu kompletten Containerlösungen zur Probenanalyse. Die Systeme von Swan kommen weltweit zum Einsatz, insbesondere in Bereichen, in denen die Wasseraufbereitung eine entscheidende Rolle spielt – etwa bei der Qualitätssicherung von Reinstwasser in Elektrolyseuren, in der Pharma- und Halbleiterproduktion sowie bei der Aufbereitung von Schwimmbad- und Trinkwasser.
„Kraftwerk- und Industrieanlagen mit ihrer Dampfproduktion gehören zu unseren wichtigsten Zielmärkten“, sagt Nils Schwäbe, Product Line Manager bei Swan. Zu den klassischen Anwendungen zählt die Überwachung des Rücklaufkondensats. Prozessbedingt kann es hier zu Verunreinigungen der Dampfkondensate kommen, die zu großen Schäden in den Anlagen führen. In bestimmten Prozessen, wie etwa beim Steamcracken in der Chemie oder Petrochemie, kommt der Dampf außerdem direkt mit Prozessmedien in Kontakt. Um zu kontrollieren, wann das Rücklaufkondensat extern aufbereitet werden muss, werden Proben kontinuierlich entnommen und analysiert.
Prozessbedingte Verunreinigungen des Dampfkondensats können zu großen Schäden in den Anlagen führen.
Umweltschutz – Wenn das Meer als Kühlwasser verwendet wird
„Wir sehen außerdem ein deutliches Wachstumspotenzial mit unseren Analysesystemen in anderen industriellen Anwendungen sowie Marktsegmenten der Energieerzeugung. Dazu gehören die Produktion von grünem Wasserstoff, aber auch die Verarbeitung und der Transport von Flüssigerdgas (LNG) auf FPSOs.“ FPSO steht für „Floating Production, Storage and Offloading“ und beschreibt Tanker, die auf hoher See zum Fördern und gleichzeitig der Verarbeitung und dem Transport von Erdöl und LNG eingesetzt werden.
„Auf FPSO-Tankern wird in verschiedenen Verfahrensschritten auch Meerwasser zur Kühlung und Erwärmung genutzt“, erläutert Schwäbe. Um Algenwachstum in den dafür verwendeten Tanks, Wärmetauschern und Leitungen zu unterbinden, wird es mit einem Biozid wie zum Beispiel Chlor versetzt oder über Elektrolyse aus dem Meerwasser hergestellt. „Bevor das Kühlwasser wieder in den Ozean zurückgeführt werden darf, muss es aufbereitet und kontrolliert werden. Unsere Analysestationen stellen sicher, dass die Wasseraufbereitung vorschriftsgemäß nach den geltenden Regularien des Umweltschutzes durchgeführt wird“, sagt Schwäbe. Da an Bord von FPSO-Tankern grundsätzlich explosionsgefährdete Bereiche existieren, müssen auch die Analyseinstrumente entsprechend geschützt sein, um im Störungsfall einer Zündquelle vorzubeugen.
Meerwasser, das auf einem FPSO zur Kühlung verwendet wird, muss analysiert und aufbereitet werden, bevor es in den Ozean zurückgeführt werden kann.
Wasserqualität bestimmt die Lebensdauer von Anlagen
Bei der Produktion von grünem Wasserstoff spielt die Wasseranalyse ebenfalls eine entscheidende Rolle. Die Elektrolyseure werden mit entmineralisiertem Wasser gespeist. Von dessen Reinheit hängt in hohem Maße die Lebensdauer der Elektrolyse-Stacks ab, einer Anreihung mehrerer Elektrolysezellen, die mithilfe von Strom Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten. „Eine Überschreitung der Grenzwerte kann schon nach sehr kurzer Zeit zu einem drastischen Leistungsabfall des Elektrolyseurs führen. Wir reden hier von einer Minuten- oder Stundenfrist. Jede Verunreinigung führt zu Leistungseinbußen und einer verkürzten Lebensdauer der Anlage“, erklärt Schwäbe. Eine kontinuierliche Überwachung und Echtzeit-Rückmeldung der Wasserqualität ist entscheidend für die Effizienz und Lebensdauer eines Elektrolyseurs.
Ähnlich kritisch ist die Wasserqualität, wenn Reinstwasser für die Produktion von Arzneimitteln oder Halbleitermaterialien benötigt wird. Auch dort können schon sehr kleine mineralische Anteile einen enormen Unterschied machen. Schwäbe betont: „Wir bieten Online-Analysesysteme, mit denen Verunreinigungen von wenigen Milliardstel – also ppt, parts per trillion – genau gemessen werden können.“ Die lange Liste der Inhaltsstoffe, die die Instrumente erfassen, reicht von Kieselsäure über Natrium, Sauerstoff, Ozon und organische Verbindungen "TOC" bis zum Ausmaß der Trübung.
Bei der Wasserstoffproduktion hängt die Lebensdauer der Elektrolyse-Stacks in hohem Maße von der Reinheit des Wassers ab.
Die Wasserqualität ist auch in der Halbleiterproduktion von entscheidender Bedeutung.
Sichere Wasseranalyse in explosionsgefährdeten Bereichen
In chemischen und pharmazeutischen Prozessen, auf FPSO-Tankern, an LNG-Terminals sowie in Elektrolyseuren zur Produktion grünen Wasserstoffs sind naturgemäß brennbare Gase und Dämpfe im Spiel. Die Einsatzorte der Analysesysteme befinden sich daher unvermeidlich in explosionsgefährdeten Bereichen. Die dort eingesetzten elektrischen Betriebsmittel müssen über entsprechende Schutzvorrichtungen nach den Regularien des Explosionsschutzes verfügen.
Hierfür setzt Swan auf eine maßgeschneiderte Gehäuselösung der Zündschutzart Überdruckkapselung, kurz Ex p, von Pepperl+Fuchs. Die Zündschutzart ermöglicht den Einsatz von nicht-zertifizierten elektrischen Geräten und Betriebsmitteln in explosionsgefährdeten Bereichen. Die Online-Analysegeräte des Herstellers werden dafür in einem exakt auf die Anforderungen von Swan designten, überdruckgekapselten Gehäuse mit integrierter Bedieneinheit und zugehörigem Druckwächter untergebracht. In dieses Ex-p-Gehäuse wird saubere Luft oder ein Inertgas, also nichtbrennbares Gas wie Stickstoff gespült, damit die explosionsfähige Atomsphäre aus dem Gehäuse verdrängt wird.
„Die Druckregelung sorgt dafür, dass der Innendruck konstant ein paar Millibar über dem Druck der explosionsgefährdeten Außenatmosphäre liegt. So ist gewährleistet, dass die im Inneren verbauten Betriebsmittel sicher und ohne eigene Ex-Zulassung in ihrer vorgesehenen Funktion betrieben werden können“, erklärt Alexander Aust, Product Marketing Manager für Electrical Explosion Protection Equipment and Solutions bei Pepperl+Fuchs in Mannheim. Der Druckwächter kontrolliert das Druckniveau im Gehäuse und lässt bei Bedarf Inertgas oder Luft nachströmen, um die Umgebungsatmosphäre zuverlässig auszuschließen.
Robuste Überdruckkapselungslösung mit gewissem Komfort
Marcel Zuppiger, Vertriebsingenieur bei Pepperl+Fuchs in der Schweiz, und seine Teamkollegen haben Swan von Anfang an bei der Findung der optimalen Lösung betreut: „Die verschiedensten Analysesysteme von Swan können für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen der Zone 2 in dem dafür maßgeschneiderten überdruckgekapselten Gehäuse montiert werden.“ Die Steuereinheit des Überdruckkapselungssystems vom Typ Bebco EPS 5500 ist außen am Gehäuse angebracht und lässt sich ebenso leicht wie intuitiv bedienen.
Die Ex-p-Gehäuselösung für Wasseranalyseinstrumente von Swan Analytical Instruments wurde von Pepperl+Fuchs entwickelt, designt und gefertigt.
Die Steuereinheit des Pepperl+Fuchs Überdruckkapselungssystems 5500 wird direkt am Ex-zertifizierten Edelstahlgehäuse montiert.
Der Druckwächter der Serie 5500 aus eloxiertem Aluminium bietet drei Modelle für die Durchflussmenge.
„Das Display des Swan-Transmitters sollte durch ein im Ex-p-Gehäuse integriertes Sichtfenster von außen gut lesbar sein“, berichtet Zuppinger über eine wesentliche Anforderung von Swan. Wichtig war dem Analyse-Instrumentenhersteller auch ein schmales und kompaktes Gehäuse, in das sich vorkonfigurierte Swan-Instrumententafeln integrieren lassen. Hierfür konzipierten die Ingenieure von Pepperl+Fuchs eine Ex-p-Lösung, die nun als Standardprodukt Teil des Swan-Portfolios ist und flexibel für verschiedene Einsatzzwecke verwendet werden kann. „Wir wollten ein Ex-p-Gehäuse für all unsere Produkte und Anwendungsfälle, was einfach und intuitiv zu bedienen ist und über die nötigen ATEX- und IECEx-Zertifizierungen für den weltweiten Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen verfügt“, sagt Schwäbe und fügt an: „Pepperl+Fuchs war der einzige Anbieter, der bereit war, eine für uns passende Lösung zu entwickeln, und dabei unsere Anforderungen absolut getroffen hat, nicht ‚over-engineered‘ und zu einem guten Preis-Leistungsverhältnis.“
„Dabei ist uns die Integrierbarkeit unserer Mess- und Analysesysteme in die weltweiten Anlagen unserer Kunden besonders wichtig“, betont Schwäbe. „Schon die kompakten Abmessungen des Ex-p-Gehäuses und seine Robustheit sprechen für diese Lösung. Aber vor allem können wir es unseren Kunden als Standardlösung mit flexibler Bestückung anbieten“, erklärt Schwäbe die Prioritäten von Swan. Neben der hohen Qualität der Analysesysteme gehört eine besonders kurze Lieferzeit zu den Stärken des Unternehmens. „Da wir die Ex-p-Gehäuse in unseren eigenen Werkstätten kundenspezifisch bestücken, können wir die Bestellungen in der Regel innerhalb weniger Wochen ausliefern“, so Schwäbe.
Die Geräte werden in Hinwil auf Kundenwunsch zu mehrstufigen Analysesystemen zusammengestellt. Sie können in Innenräumen oder unter einer Überdachung im Außenbereich montiert werden.
Von der kundenspezifischen Lösung zum modularen Standardprodukt
Entwickelt, designt und gefertigt werden die kundenspezifischen Ex-p-Gehäuselösungen in einem der sechs weltweiten Solution Engineering Center (SEC) von Pepperl+Fuchs, im deutschen Bühl. Die enge Zusammenarbeit zwischen Swan, Pepperl+Fuchs Schweiz und dem SEC machte diese passgenaue Lösung möglich. Während die ersten Exemplare noch im SEC in Bühl mit den Analyseinstrumenten montiert wurden, baut Swan inzwischen seinen eigenen Lagerbestand an Ex-p-Gehäusen auf. Die von Pepperl+Fuchs vorgefertigten und bereits nach ATEX und IECEx zertifizierten Gehäuse mit Überdruckkapselungssteuereinheit und Druckwächter werden nun in Hinwil individuell mit den bestückten Instrumententafeln installiert. Einmal entwickelt, kann die kundenspezifische Lösung jederzeit wie ein Standardprodukt bestellt werden. „Das Tempo und die Flexibilität, die wir unseren Kunden anbieten, erleben wir auch bei Pepperl+Fuchs“, freut sich Schwäbe. „Während die Konkurrenz kaum zur Abgabe eines Angebots zu bewegen war, sind wir hier auf offene Türen und Ohren gestoßen. Die Zusammenarbeit war von Anfang an ausgesprochen konstruktiv und zielorientiert. Im Ergebnis können wir als einziger Hersteller in unserem Segment eine modulare Standardlösung anbieten, die ab Werk fertig montiert, getestet und zertifiziert ausgeliefert werden kann“, resümiert Schwäbe zufrieden.
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Auf die Wasserqualität kommt es an
Wasser ist lebensnotwendig. Um Trinkwasser vor Verunreinigungen zu schützen, muss die Qualität ständig kontrolliert werden. Wasser aus tieferen Gesteinsschichten kann zudem Methan enthalten, was entfernt werden muss, bevor es als natürliches Mineralwasser abgefüllt werden kann. Doch nicht nur beim Trinkwasser ist die Qualität des Wassers entscheidend. Das gleiche gilt für Schwimmbäder, wo das Wasser regelmäßig kontrolliert und von Schmutz und Bakterien aufbereitet werden muss. Aus diesen beiden Nischen entwuchs die Schweizer Firma Swan Analytische Instrumente AG, die sich auf die Entwicklung und Herstellung von Online-Instrumenten zur analytischen Bestimmung verschiedener Parameter in Wasseraufbereitungsprozessen spezialisiert hat. In den letzten Jahren entwickelte sich der Markt der Kraftwerke und industriellen Anwendungen in der Wasseranalyse immer weiter und Swan zählt heute zu den führenden Komplettanbietern für die Wasserüberwachung.
