03.02.2023
Mit Wasserstoff elektrisierend nachhaltig in die Zukunft
Grüner Wasserstoff gilt als Hoffnungsträger in der Dekarbonisierung von Industrie und Schwerlastverkehr. Neben der Klimakrise verleiht die aktuelle Energiekrise dem Ausbau von grünem Wasserstoff als nachhaltigen Energieträger zusätzlichen Schub. Die passende Sensorik und Komponenten für den elektrischen Explosionsschutz stehen für den Einsatz in der Wasserstoff-Wertschöpfungskette bereit.
Das Credo einer gesunden Volkswirtschaft lautet Wachstum, und Wachstum heißt gleichzeitig mehr Energiebedarf. „Genau dieser erhöhte Energiebedarf soll durch die Elektrifizierung gebrochen werden. Das heißt, wir benötigen mehr Strom, aber die Gesamtenergiebilanz soll sinken“, erklärt Wolfgang Weber, Global Industry Manager für Erneuerbare Energien bei Pepperl+Fuchs. „Was auf den ersten Blick paradox klingen mag, lässt sich an einem einfachen Beispiel erklären: Bei einem Fahrzeug mit Dieselantrieb liegt der Wirkungsgrad bei ca. 40 %, bei jenen mit Batterieantrieb sind es ca. 80 % oder mehr. Auf dem Weg hin zur All-Electric-Society, wie wir ihn gerade beschreiten, gepaart mit dem Ziel der Klimaneutralität, bedeutet dies im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft einen enormen Bedarf aus erneuerbaren Energieträgern“, stellt Weber klar. Zwei entscheidende Hebel ebnen diesen Weg: zum einen eine signifikante Steigerung der Energieeffizienzgewinne durch Automatisierung und Digitalisierung; und zum anderen die Erzeugung von grünem Wasserstoff als maßgeblichen Energieträger, gewonnen aus erneuerbaren Quellen wie Windkraft, Photovoltaik oder Wasserkraft.
Die Herausforderungen sind groß
Grüner Wasserstoff gilt als das Schlüsselelement in der Dekarbonisierung von Industrie und Schwerlastverkehr und als Hoffnungsträger in der Klimakrise. Bis zum Erreichen der energiepolitischen Ziele der Klimaneutralität und dem nötigen Ausbau der erneuerbaren Energiegewinnung sollte Gas als Brückentechnologie fungieren. Die zunehmende Energiekrise durch die Verknappung bei den fossilen Rohstoffen Erdgas und Erdöl hat diesen Plan jedoch durchkreuzt. Gerade für energieintensive Produktionsunternehmen, wie Chemiekonzerne, Stahl- und Aluminiumproduzenten, Porzellan- oder Papierhersteller – um nur einige zu nennen – wird es kritisch, wenn nicht ausreichend Energie für die Produktion zur Verfügung steht oder aufgrund der aktuellen Entwicklung der Energiemarktpreise die Produktionskosten für manche Unternehmen zur Existenzfrage werden.
„Es wird wohl nicht gelingen, die Erzeugung von grünem Wasserstoff in dem Maße und in der Dringlichkeit voranzutreiben, dass es eine schnelle Entlastung oder gar Wende in dieser ökonomischen und ökologischen Krise geben kann. Dabei mangelt es längst nicht an Leitprojekten und schon gar nicht an technischem Knowhow, sondern an der zeitnahen Realisierung“, schildert Weber die derzeitige Situation.
Weltweit wurden große Wasserstoff-Projekte gestartet, von Kanada über Europa bis nach Japan, Neuseeland und Australien. Doch für die großflächige Erzeugung und industrielle Nutzung von grünem Wasserstoff muss allen voran der Ausbau der erneuerbaren Energiegewinnung vorangetrieben werden, sei es aus Wind, Sonne oder Wasserkraft. „Größtenteils sind es Offshore-Windkraftanlagen, die für den nötigen grünen Strom sorgen sollen. In sonnigeren Gefilden, wie beispielsweise Spanien oder Australien, setzt man auf Photovoltaik-Anlagen. Nicht zuletzt muss der gewonnene grüne Strom in Wasserstoff umgewandelt, transportiert oder zwischengespeichert werden“, erklärt Weber.
Für die großflächige Erzeugung und industrielle Nutzung von grünem Wasserstoff steht allen voran der Ausbau der erneuerbaren Energiegewinnung.
Pepperl+Fuchs bietet für die erneuerbare Energiegewinnung, den Transport und die Speicherung von Wasserstoff die passenden industriellen Sensoren und Komponenten für den elektrischen Explosionsschutz. „Unsere Automatisierungskomponenten warten sozusagen nur noch auf den großen Startschuss im großflächigen Aufbau der Wasserstoff-Wertschöpfungskette“, fügt Weber mit einem Augenzwinkern an. „Pepperl+Fuchs ist natürlich auch in verschiedenen Gremien und Arbeitsgruppen zum Thema Wasserstoff vertreten, so unter anderem beim VDMA e. V. (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau). Als Spezialist für Sensorik und Explosionsschutz pflegen wir zudem enge Kontakte in die Forschung, u. a. zum Fraunhofer Institut und weiteren Wasserstoff-Forschungsprojekten“, beschreibt Weber die aktuellen Entwicklungen.
Windkraft effizient nutzen
Draußen auf See herrschen beste Bedingungen für Windkraftanlagen, da hier kontinuierlich und auch stärkerer Wind weht als an Land. Laut dem deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), das unter anderem das Leitprojekt H2Mare zur Erforschung der Offshore-Erzeugung von grünem Wasserstoff startete, beträgt die mittlere Nennleistung von Windkraftanlagen an Land nur rund 3,5 Megawatt, diejenige von Offshore-Anlagen dagegen 5 Megawatt, mit stark steigender Tendenz.
Um die Windenergie richtig auszuschöpfen, ist entsprechende Sensorik erforderlich. „Für eine optimale Windausbeute, müssen sich die Rotorblätter mit dem wechselnden Wind drehen und je nach Windstärke den idealen Neigungswinkel aufweisen; die Nabe muss in Windrichtung stehen“, erklärt Weber. Um deren Stellung jeweils effizient einzustellen, muss die Steuerung die aktuelle Position der Nabe und der Rotorblätter erfassen. Die Pitch- und Azimut-Regelung übernehmen Absolutwert-Drehgeber, wie die der Serie ENA58 von Pepperl+Fuchs.
Für die optimale Stellung der Rotorblätter sorgen die Absolutwert-Drehgeber ENA58 von Pepperl+Fuchs bei der Pitch-Regelung in Windkraftanlagen.
Condition Monitoring Windkraftanlage
„Windkräfte auf hoher See können mitunter sehr stark sein und manchmal müssen die Komponenten in eine Schutzstellung befördert werden, um eine drohende Überlast zu vermeiden. Eine Zustandsüberwachung der Windkraftanlage und einzelner Bauteile ist unabdingbar für den sicheren Betrieb“, sagt Weber. Schwingungssensoren der Serie VIM von Pepperl+Fuchs überwachen zuverlässig langfristige Schwingungsänderungen, während Beschleunigungssensoren der Serie F99 kurzfristige Veränderungen erfassen. In Kombination eingesetzt, überwachen beide Sensorprinzipien zuverlässig die Auslenkung der Gondel und den Anlagenzustand unter Windeinwirkung. Der Beschleunigungssensor F99 misst die Schwingungen der Gondel, während der Schwingungssensor VIM den Zustand der rotierenden Komponenten im Inneren der Gondel überwacht, wie zum Beispiel die Schwingungen der Generatorwelle oder die Welle-Nabe-Verbindung.
Die Schwingungssensoren der Baureihe VIM8 verfügen über eine Zulassung bis SIL 2/PL d, einen großen Messbereich bis zu 128 mm/s und eine automatische Zustandserkennung für Kugellager. Somit sind sie für den Einsatz in Windkraftanlagen ideal geeignet. „Die Erkennung von langfristigen Veränderungen in der Schwinggeschwindigkeit oder -beschleunigung ermöglicht zudem eine vorausschauende und zielgerichtete Wartung und Instandhaltung. Dies spart den Betreibern von Windkraftanlagen vor allem Zeit und Kosten, da Offshore-Anlagen nicht ohne Aufwand immer schnell für Serviceeinsätze erreichbar sind“, fügt Weber hinzu.
Schwingungssensoren überwachen zuverlässig langfristige Änderungen der Schwingungen, während Beschleunigungssensoren kurzfristige Veränderungen erfassen. In Kombination eingesetzt, überwachen beide Sensorprinzipien zuverlässig die Auslenkung der Gondel und den Anlagenzustand.
Schwingungssensoren der Serie VIM überwachen den Zustand der rotierenden Komponenten im Inneren der Gondel, wie zum Beispiel die Schwingungen der Generatorwelle oder die Welle-Nabe-Verbindung.
Schwingungssensoren melden dauerhafte Änderungen in der Schwinggeschwindigkeit der Anlage oder einzelner Bauteile und ermöglichen so eine vorausschauende Wartung.
Beschleunigungssensoren der Serie F99 erfassen kurzfristige Veränderungen der Schwingungen und überwachen so den Zustand der Windkraftanlage unter Windeinwirkung.
Eines der häufigsten Ursachen für Elektronikschäden sind zudem Überspannungen durch Blitzeinschläge oder Schaltereignisse. Diese können zum Ausfall und der Gefährdung der ganzen Anlage führen, die es zu vermeiden gilt. Überspannungsschutzmodule von Pepperl+Fuchs schützen die Steuerungstechnik sowie Signalübertragungs- und Versorgungsleitungen.
Die nötige Sicherheit beim Wasserstoff-Transport
Wie hoch genau der Bedarf an grünem Wasserstoff sein wird, den die Industrienationen benötigen, um klimaneutral produzieren zu können, ist noch nicht genau beziffert. Sicher ist jedoch, der Energiebedarf mancher Länder wird um ein Vielfaches höher sein, als dass sie selbst an Mengen grünen Wasserstoffs produzieren können. „Daher wird der Import und Export von grünem Wasserstoff eine große Rolle spielen. Hierfür müssen effiziente Transportinfrastrukturen aufgebaut werden“, erklärt Weber.
Der Transport von Wasserstoff erfolgt entweder auf dem Seeweg per Gastanker, auf dem Landweg in Druckflaschen per LKW und nicht zuletzt durch die Rohrleitungen bis auf die Industriegelände. Die vorhandenen Gasleitungen können zukünftig auch für den Transport von Wasserstoff genutzt werden, da in Erdgas schon ein Teil Wasserstoff gebunden ist. Es ändert sich sozusagen das Mischungsverhältnis. Dennoch birgt der Transport von Wasserstoff einige technische Herausforderungen, denn Wasserstoff reagiert aufgrund seiner chemischen Eigenschaften in Verbindung mit Sauerstoff explosiv. „Als Automatisierungshersteller und Pioniere im elektrischen Explosionsschutz wissen wir sehr genau um die Besonderheiten von explosionsfähigen Gasatmosphären, wie es auch auf Wasserstoff zutrifft. Seine Affinität zum Sauerstoff macht die Anlagen und Transportmittel in der Wasserstoff-Wertschöpfungskette zu explosionsgefährdeten Bereichen, die besondere Vorkehrungen hinsichtlich des Explosionsschutzes erforderlich machen“, sagt Thomas Schnepf, Vertriebsingenieur für Explosionsschutz und Prozessautomation bei Pepperl+Fuchs.
Der Import und Export von grünem Wasserstoff wird eine große Rolle spielen. Hierfür müssen effiziente Transportinfrastrukturen aufgebaut werden.
Explosionsschutz in Gasdruckregel- und Messanlagen
Für den Transport muss der Wasserstoff verdichtet werden. Gasdruckregel- und Messanlagen (GDRMA) sorgen für den richtigen Druck des Wasserstoffs für den weiteren Transport, sodass weder ein Über- noch ein Unterdruck auftreten. Verschiedene Interface-Module kommen für die sichere Signalübertragung und den Schutz vor Überspannung im Schaltschrank der GDRMA zum Einsatz.
Für die eigensichere Signalverteilung sorgt beispielsweise ein Klemmenkasten der SR-Serie von Pepperl+Fuchs. Um Überspannungen direkt am Feldgerät zu vermeiden, kommen auch hier Überspannungsschutzmodule zum Tragen. Ebenso müssen die Stellung der Ventile innerhalb der GDRMA überwacht werden. Induktive Sensoren, wie beispielsweise das Positionsmesssystem PMI oder auch die für den Ex-Bereich zertifizierten induktiven Doppelsensoren F31K2 von Pepperl+Fuchs, geben zuverlässig Rückmeldung zur Ventilstellung.
Pepperl+Fuchs Sensorik sorgt in Gasdruckregel- und Messanlagen (GDRMA) unter anderem für die sichere Signalübertragung, den Schutz vor Überspannungen und dem Entstehen von explosiven Gasatmosphären.
Die für den Ex-Bereich zertifizierten induktiven Doppelsensoren F31K2 auf Schwenkantrieben geben zuverlässig Rückmeldung zur Ventilposition. Überspannungsschutzmodule, direkt am Feldgerät montiert, schützen diese zuverlässig vor Elektronikschäden.
Verschiedene Interface-Module sorgen für sichere Signalübertragung und Überspannungsschutz im Schaltschrank der GDRMA.
Klemmenkästen der SR-Serie ermöglichen die eigensichere Signalverteilung innerhalb der Anlage.
Ein Überdruckkapselungssystem der Serie 6000 schützt die Geräte für die Wasserstoffanalyse in GDRMA zuverlässig vor dem Entstehen eines explosiven Gasgemisches.
Die Zusammensetzung des Wasserstoffs wird zudem kontinuierlich überwacht und analysiert. „Um Geräte für die Wasserstoffanalyse zuverlässig vor dem Entstehen einer explosiven Gasatmosphäre zu schützen, ist ein Überdruckkapselungssystem der Serie 6000 von Pepperl+Fuchs prädestiniert. Es verhindert durch Spülung und Überdruckkapselung das Entstehen eines explosiven Gasgemisches im Inneren des Gehäuses oder Schaltschranks und schützt so zuverlässig vor einer Explosion“, erklärt Schnepf.
Seine Affinität zum Sauerstoff macht die Anlagen und Transportmittel in der Wasserstoff-Wertschöpfungskette zu explosionsgefährdeten Bereichen, die besondere Vorkehrungen hinsichtlich des Explosionsschutzes erforderlich machen.
Transportweg Übersee – per Gastanker sicher zum Zielhafen
Große Mengen grünen Wasserstoffs werden zukünftig per Gastanker die Weltmeere überqueren, ob von Kanada, Afrika oder Australien. An Bord der Tanker muss der Explosionsschutz stets gewährleistet sein. „Pepperl+Fuchs bietet eines der größten Portfolios für den explosionsgefährdeten Bereich am Markt und eine ganze Reihe von Lösungen für den Wasserstofftransport per Gastanker“, so Schnepf. Um die Feldsignale auf dem Schiff zu verbinden, eignet sich klassischerweise das für Marineapplikationen zugelassene LB-Remote-I/O-System, eingebaut in ein robustes Edelstahlgehäuse der SR-Serie. Doch es geht auch anders: „Mit Ethernet-APL hält die schnelle und digitale Datenübertragung mit 10 Mbit/s per Zweidrahtleitung für die Anbindung der Feld- und Steuergeräte Einzug in die Prozessindustrie. Der Ethernet-APL Rail Field Switch von FieldConnex® ermöglicht die durchgängige digitale Kommunikation von den Feldgeräten bis ins Leitsystem und übergeordnete Management-Systeme. Die Feldgeräte werden zudem über die Zweidrahtleitung, welche eigensicher bis in Zone 0 geführt werden darf, mit Strom versorgt. Berechtigte können sich Daten in Echtzeit über das Smartphone direkt anzeigen lassen. Dies beschleunigt nicht nur die Planung und Installation, sondern vor allem unterstützt es bei der Diagnose und Eingrenzung von Fehlerursachen. Bei einem Gastanker, der zum Teil tagelang mitten auf dem Ozean unterwegs ist, bietet dies eine riesigen Vorteil“, erklärt Schnepf die Vorteile dieser modernen Kommunikationstechnologie.
Aufgrund der explosionsfähigen Eigenschaften von Wasserstoff ist der Gastanker ein explosionsgefährdeter Bereich. Pepperl+Fuchs bietet die passenden Komponenten für den Explosionsschutz und den sicheren Transport von Wasserstoff.
Für die Signalverbindung und -verteilung eignet sich klassischerweise das für Marineapplikationen zugelassene LB-Remote-I/O-System im robusten Edelstahlgehäuse der SR-Serie oder ...
... der Ethernet-APL Rail Field Switch von FieldConnex®. Dieser verbindet Feld- und Steuergeräte per digitaler Datenübertragung mit 10 Mbit/s direkt mit dem Leitsystem und übergeordneten Management-Systemen.
Die Daten der Feldgeräte werden mit Ethernet-APL schnell und digital über eine Zweidrahtleitung in Echtzeit übertragen und ermöglichen Berechtigten jederzeit einen Überblick über den Zustand der Anlage.
Für die sichere Bedienung der Kransteuerung beim Be- und Entladen des Gastankers bietet sich eine geflanschte Ex-de-Gehäuselösung von Pepperl+Fuchs an, in der elektrische Komponenten in explosionsgefährdeten Bereichen sicher betrieben werden können.
Um die Kransteuerung des Gastankers sicher und zuverlässig bedienen zu können, bietet Pepperl+Fuchs zudem für elektrische Komponenten, die nicht für den Ex-Bereich zertifiziert sind, eine geflanschte Ex-de-Gehäuselösung an, das die Zündschutzart druckfeste Kapselung (Ex d) mit den Vorteilen der Zündschutzart erhöhte Sicherheit (Ex e) verbindet. Zertifizierte Bedienelemente sind weiterhin im Ex-e-Gehäuse einfach zugänglich. Für die Identifikation von Druckflaschen bieten sich außerdem RFID-Komponenten an, die die exakte Zuordnung und Erkennung gewährleisten. Pepperl+Fuchs verfügt über ein komplettes Portfolio an RFID-Systemlösungen, welche zudem die Kommunikation mit einer SPS oder anderen übergeordneten IT-Systemen ermöglichen.
Überwachung der Pipelines und Rohrleitungen
Angekommen am Zielhafen oder auch in Industrieanlagen sorgen Pipelines und Rohrleitungen für die Verteilung und den Weitertransport des Wasserstoffs. Ventile an den Rohren, die den Gasstrom regeln, müssen zuverlässig überwacht werden. Für die Rückmeldung der Ventilstellung im explosionsgefährdeten Außenbereich sorgen die zertifizierten induktiven Doppelsensoren F31K2 oder auch das induktive Positionsmesssystem PMI. Doch an den weit verzweigten und kilometerlangen Rohren und Pipelines stellt die Überprüfung, Wartung und Instandhaltung der Ventile ebenfalls eine Herausforderung dar. „Eigensichere Mobilgeräte wie das Smartphone Smart-Ex® der Pepperl+Fuchs Marke ecom versorgen Mobile Worker und Anlagenbetreiber bei Instandhaltungsarbeiten an Ventilen in Echtzeit mit wichtigen Informationen zu den Feldgeräten und bieten direkten Zugriff auf erforderliche Daten. Beispielsweise kann das Wartungspersonal direkt den Prüfbericht hochladen“, beschreibt Schnepf die Vorteile der modernen mobilen Kommunikationstechnologien für die Prozessindustrie.
Der für den Ex-Bereich zertifizierte induktive Doppelsensor F31K2 meldet zuverlässig die Ventilstellung an pneumatischen Schwenkantrieben.
Das induktive Positionsmesssystem PMI erfasst ebenso zuverlässig die Ventilstellung an den Rohrleitung und Wasserstoff-Pipelines.
Die eigensicheren Smartphones der Serie Smart-Ex erleichtern die Instandhaltungsarbeiten an Ventilen, denn sie versorgen Anlagenbetreiber in Echtzeit mit wichtigen Informationen zu den Feldgeräten und bieten Mobile Worker direkten Zugriff auf erforderliche Daten.
Die erforderlichen explosionsgeschützten Komponenten und industriellen Sensoren, die für die erneuerbare Energiegewinnung, die Speicherung und den sicheren Transport von Wasserstoff notwendig sind, sind allesamt schon vorhanden, da die allgemeinen Schutzvorkehrungen für die automatisierte Überwachung und Steuerung industrieller Prozesse in explosionsgefährdeten Gasatmosphären auch auf Wasserstoff zutreffen. „Wir als Automatisierungshersteller sind jedenfalls bereit, die Prozesse entlang der gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette weltweit sicher und effizient zu gestalten. Die Technologien dazu haben wir“, resümiert Schnepf.
Um die großflächige Erzeugung von Wasserstoff und den Weg zur Klimaneutralität weltweit voran zu schreiten, gehen einige Länder starke Partnerschaften in der Erforschung und Entwicklung der Wasserstoff-Wertschöpfungskette ein. Kanada und Deutschland starteten im Oktober 2022 vier Großprojekte zur Förderung von grünem Wasserstoff, unter anderem zur Kostenminimierung bei der Wasserstoffproduktion, der Integration von Wasserstoff in industrielle Wertschöpfungsketten sowie der Erforschung fortgeschrittener Methoden zur Herstellung von Wasserstoff. Ziel des im August 2022 unterzeichneten Wasserstoff-Abkommens zwischen Deutschland und Kanada ist es zudem, eine transatlantische Lieferkette für grünen Wasserstoff aufzubauen.
Ein deutsch-australisches Konsortium aus Wirtschaft und Wissenschaft soll zudem regulatorische, technische und ökonomische Hindernisse beim Aufbau einer Lieferkette entlang der Wasserstoff-Wertschöpfungskette identifizieren. Auch gemeinsam mit Neuseeland hat Deutschland drei Projekte zur Wasserstofferzeugung, -speicherung und -verteilung ins Leben gerufen.
In einigen Teilen Afrikas sieht man großes Potential für die Erzeugung von grünem Wasserstoff vor allem aus Solar-, aber auch Windenergie. Das deutsche BMBF setzt auf strategische Partnerschaften mit Ländern West- und Südafrikas, um den Energiebedarf der Länder vor Ort zu decken und Wasserstoff zukünftig auch aus Afrika importieren zu können.
Weiter ist man bereits in Fernost: Japan gilt ebenfalls als einer der Vorreiter beim Thema Wasserstoff und führt mit Toyota und Nissan in der globalen Rangliste von Unternehmen bei der Anmeldung von Patenten zu Wasserstoff in der industriellen Anwendung. Das Land der aufgehenden Sonne arbeitet bereits am Aufbau einer kompletten industriellen Wertschöpfungskette für Wasserstoff.
