Vollelektrisch und komplett vernetzt

Effizienzhebel Digitalisierung und Sektorenkopplung

Die aus Sonnen-, Wind- und Wasserkraft gewonnene Energie steht jedoch nicht zu jeder Zeit in gleichem Umfang zur Verfügung. Zu manchen Tages- oder Jahreszeiten kann es zu signifikanten Energieüberschüssen oder -flauten kommen. Doch die Energie kann nicht immer nur dann verbraucht werden, wenn sie ausreichend und günstig verfügbar ist. Hier spielen Speichertechnologien und eine intelligente Sektorenkopplung eine entscheidende Rolle. Um Energie zuverlässig in ausreichender Menge und zu wettbewerbsfähigen Preisen bereitzustellen, muss der aus erneuerbaren Energien gewonnene Strom zwischengespeichert oder beispielsweise in Elektrolyseuren in grünen Wasserstoff oder andere Power-to-X-Technologien umgewandelt werden. „Wenn wir Sektorenkopplung richtig begreifen, sodass der energieerzeugende und der konsumierende Sektor optimal aufeinander abgestimmt sind, dann ist das nur voll automatisiert und digitalisiert möglich. Dazu muss die Maschine oder die Anlage mit dem Energieerzeuger kommunizieren können“, erklärt Kegel. Eine intelligente Sektorenkopplung ist notwendig, um eine nachhaltige Transformation und Effizienzgewinne in den Bereichen Energie, Industrie und Verkehr zu erreichen. 

Smarte Sensorik für eine optimale Energieausbeute

Das Konzept der All Electric Society beinhaltet maßgeblich die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien. Gleichzeitig muss die Energieeffizienz erheblich gesteigert werden, um den durch die umfassende Elektrifizierung zunehmenden Energieverbrauch auszugleichen. „Die All Electric Society wird frühestens in 20 Jahren Realität sein, aber wir müssen heute schon die Grundsteine dafür legen. Nur so können wir bis 2045 das Ziel der Klimaneutralität erreichen“, stellt Kegel klar. So müssen vor allem die erneuerbaren Energien wie Windkraft, Photovoltaik oder Solarthermie massiv ausgebaut werden. Für den effizienten Betrieb solcher Anlagen spielen Sensoren und Automatisierungskomponenten eine entscheidende Rolle.

Bereits seit vielen Jahren kommt Sensorik von Pepperl+Fuchs im Bereich der erneuerbaren Energien zum Einsatz, um Windkraft-, Photovoltaikanlagen und solarthermische Kraftwerke zu automatisieren. So sorgen unter anderem Drehgeber, Schwingungssensoren sowie Neigungs- und Beschleunigungssensoren für die optimale Ausrichtung der Anlagen und ermöglichen eine maximale Ausbeute an gewonnener Energie. Um Photovoltaikmodule oder Heliostaten möglichst präzise zum Sonnenstand hin auszurichten, kommen etwa Drehgeber und Neigungssensoren der Serie F99 von Pepperl+Fuchs zum Einsatz. Ähnliches gilt für die effiziente Nutzung der Windenergie: Um diese maximal auszuschöpfen, müssen sich die Rotorblätter von Windkraftanlagen nach der Windrichtung drehen und in einem idealen Neigungswinkel ausgerichtet werden. Hierfür muss die Steuerung die Position der Gondel und der Rotorblätter erfassen. Absolutwert-Drehgeber der Serie ENA58 liefern nicht nur die präzisen Positionswerte, sondern sind auch perfekt für die Pitch- und Azimut-Regelung geeignet, um Gondel und Rotorblätter optimal zum Wind auszurichten. „Unsere Sensorik ermöglicht neben dem effizienten Betrieb der Anlagen auch eine vorausschauende Wartung und Instandhaltung, beispielsweise durch das Erkennen von langfristigen Veränderungen in den Schwingungen und Beschleunigungen von Anlagenteilen“, erklärt Kai Lindner, Key Account Manager Fabrikautomation bei Pepperl+Fuchs. 

Vielseitig nutzbares Gas: grüner Wasserstoff für Energie, Verkehr und Industrie

Neben Solar- und Windkraft soll grüner Wasserstoff als nachhaltiger Energieträger eine weitere, wichtige Säule im Energiemix stellen. Doch nur, wenn das Gas mithilfe von regenerativen Energien erzeugt wurde, ist sein Einsatz klimaneutral. Vor allem im Verkehrssektor kann grüner Wasserstoff die Lücke in der Mobilitätswende schließen. Die Elektrifizierung im PKW-Sektor schreitet weltweit voran. Im Nutzfahrzeug- und Schwerlastverkehr können wasserstoffgetriebene Fahrzeuge aufgrund kurzer Tankzeiten, größerer Reichweite und Nutzlast eine Alternative zu batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen darstellen. Zudem entstehen bei der Verbrennung von Wasserstoff keinerlei klimaschädliche Emissionen, sondern nur reiner Wasserdampf. Das Tanken von Wasserstoff hält allerdings einige technische Herausforderungen bereit. Aufgrund der explosionsfähigen Eigenschaften von Wasserstoff erfordern die Prozesse an einer Wasserstofftankstelle Vorkehrungen des elektrischen Explosionsschutzes für eine sichere Steuerung und Signalverarbeitung. Hier spielen die Explosionsschutzkomponenten und mobilen Lösungen für die industrielle Kommunikation in explosionsgefährdeten Bereichen von Pepperl+Fuchs eine entscheidende Rolle. Dies beginnt bereits bei der Anlieferung des alternativen Treibstoffs. Um den Betankungsvorgang vom LKW in den Niederdruckspeicher sicher und zuverlässig zu überwachen, eignet sich das robuste Industrie-Tablet Tab-Ex Pro der Pepperl+Fuchs Marke ecom. Für eine sichere Signalversorgung am Niederdruckspeicher sorgt ein Befehls- und Meldegerät der Serie LRP in der Zündschutzart „Eigensicherheit“ (Ex i). Außerdem unterliegt der Wasserstoff in der Tankstellenanlage mehreren Umfüllprozessen: vom Niederdruckspeicher in den Hochdruckspeicher bis zum Fahrzeugtank. Hierfür muss das Gas verdichtet werden. Für die Kompression von Wasserstoff bietet Pepperl+Fuchs zahlreiche Komponenten für den Explosionsschutz, eigensichere Barrieren, Überdruckkapselungssysteme sowie Ex-i- und Ex-d-Lösungen. Sie alle tragen zu einem sicheren und effizienten Betrieb von Wasserstofftankstellen bei.

Explosionsschutz und digitale Lösungen für die Transformation im Energiesektor

Um den steigenden Energiebedarf zu decken, werden große Mengen grünen Wasserstoffs importiert werden müssen. Für den Transport per Tanker müsste das Gas bei -253 °C verflüssigt werden. Dies ist jedoch sehr aufwändig, kostenintensiv und mit hohen Energieverlusten verbunden. Daher wird Wasserstoff vorrangig in Trägerstoffen zwischengespeichert transportiert werden. Ammoniak als sogenanntes Derivat ermöglicht aufgrund seiner viel höheren Energiedichte im Vergleich zu flüssigem Wasserstoff eine einfachere Lagerung und Transport per Schiff. Anschließend kann Ammoniak durch Cracken wieder in Wasserstoff und Stickstoff aufgespalten werden. Der Vorteil: Bereits heute werden jährlich Millionen Tonnen Ammoniak per Schiff transportiert und die sichere Handhabung ist seit Jahrzehnten weltweit etabliert. Die für den Import von Flüssiggas vorhandenen LNG-Terminals, Tanklager und Pipelines könnten zukünftig auch für den Transport von Ammoniak oder Wasserstoff genutzt werden. Da Ammoniak ebenfalls ein explosiver Stoff ist, sind wie auch beim reinen Wasserstoff entsprechende Vorkehrungen für den Explosionsschutz erforderlich. 

Digitalisierung und Virtualisierung erreichen die Prozessindustrie

„Mit Ethernet-APL steht nun ein speziell auf die Prozessindustrie zugeschnittener Physical Layer für die IP-Kommunikation in explosionsgefährdeten Bereichen zur Verfügung. Erstmals ist es möglich, die Digitalisierung des Shopfloors ohne Mehrkosten umzusetzen: Die analoge Schnittstelle wird einfach durch eine Ethernet-APL-Schnittstelle ersetzt“, so Kegel. Jüngste Skalierbarkeitstests zeigen, die Technologie ist einsatzbereit. Nach intensiven und erfolgreichen Lasttests unter realistischen Bedingungen mit ca. 240 Ethernet-APL-Feldgeräten, zehn Ethernet-APL-Field-Switches und drei redundanten Prozessleitsystemen war eines der Schwergewichte der Chemieindustrie überzeugt: Die Umsetzung eines eigensicheren Zweidraht-Ethernet für die Prozessindustrie ist realisierbar. Der Chemiekonzern BASF stattet nun eine neue Produktionsanlage an seinem deutschen Hauptsitz in Ludwigshafen am Rhein mit den Ethernet-APL Rail Field Switches von Pepperl+Fuchs aus. Ebenso werden in Asien bereits erste Greenfield-Projekte mit Ethernet-APL aufgebaut. 

Digitale Workflows mit eigensicheren Smartphones und robusten Industrie-Tablets

Zur digitalen Kommunikation in Echtzeit gehören zweifelsohne auch Mobilgeräte. Smartphones und Tablets sind aus dem Alltag längst nicht mehr wegzudenken, im privaten wie im beruflichen Umfeld. Doch in reglementierten Bereichen ist ihr Einsatz nicht ohne Weiteres möglich. Um die Kommunikation und Zusammenarbeit zwischen der Leitstelle und den mobil Arbeitenden im Feld von Prozessanlagen zu vereinfachen, bietet Pepperl+Fuchs eigensichere Mobilgeräte wie die Smartphones der Serie Smart-Ex® und Tablets der Serien Tab-Ex® und Tab-IND für die sichere und digitale Kommunikation in rauen Industrieumgebungen und explosionsgefährdeten Bereichen. Die sicheren, robusten und leistungsstarken Geräte ermöglichen digitalisierte und somit effiziente und transparente Arbeitsabläufe. „Mit digitalen Workflows, Software-Applikationen und Augmented-Reality-Anwendungen lassen sich Prozesse optimieren, Ressourcen sparen und damit langfristig Kosten senken“, sagt Schnepf. Dank der eigensicheren Smartphones und Tablets von Pepperl+Fuchs können Anlagenbetreiber und Mobile Worker Informationen überall und jederzeit abrufen und Daten in Echtzeit an die Steuerung, das Prozessleitsystem oder direkt in eine Cloud übertragen. 

Das 5G-Smartphone Smart-Ex® 03 mit Wi-Fi® 6 hebt die Digitalisierung in explosionsgefährdeten Bereichen auf die nächste Stufe. Ob bei der effizienten Fehlersuche in der Anlage, dem digitalen Versand von Arbeitsaufträgen und Ersatzteilbestellungen oder Remote-Unterstützung bei Instandhaltung und Wartung von Geräten oder Anlagenbereichen – die leistungsstarke 5G-Technologie ermöglicht die Übertragung hoher Datenmengen und eine präzise Lokalisierung im Feld. Mit 5G lassen sich auch unternehmenseigene, autarke Netzwerke aufbauen, die zusätzlich verhindern, dass sensible Daten nach außen dringen.

Stadt, Land, Fluss: Smarte, Outdoor-taugliche IoT-Sensoren

Neben den industriellen Bereichen hält die Digitalisierung zunehmend auch in Städten und Kommunen Einzug. Dabei sind es nicht nur die Millionen-Metropolen dieser Welt, sondern auch zunehmend kleinere Städte und Gemeinden, die sich zu Smart Cities entwickeln. Mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung lebt heute bereits in Städten. Den Prognosen zufolge werden es bis zum Jahr 2050 mehr als 65 % der Menschen weltweit sein. Es liegt also auf der Hand, dass hier enormer Handlungsbedarf besteht, um das globale Ziel der Klimaneutralität zu erreichen. Auch hier stehen die Themen Klimawandel, Nachhaltigkeit und Energieeffizienz im Fokus. 

Vor allem in Zeiten des Klimawandels sind intelligente und effiziente Lösungen gefordert, wie beispielsweise für eine optimierte und bedarfsgerechte Abfallentsorgung, verlässliche Hochwasserwarnsysteme an Flüssen oder die zuverlässige Pegelüberwachung in Regenwasserrückhaltebecken. Für genau diese Anwendungen und Anforderungen an eine nachhaltige und ressourcenschonende Gesellschaft, Stadtentwicklung und Industrie entwickelte Pepperl+Fuchs den IoT-Sensor WILSEN.sonic. Das Portfolio aus robusten, batteriebetriebenen IoT-Ultraschallsensoren ist mit einer leistungsstarken Lithiumbatterie ausgestattet, die langjährige wartungsfreie Laufzeiten ermöglicht. Der WILSEN.sonic überträgt seine Messdaten über die weltweit standardisierte, funkbasierte LoRaWAN®-Technologie. Diese ermöglicht eine energieeffiziente Signalübertragung über kilometerweite Entfernungen mittels einstellbaren Sendeintervallen. Die Geräte liefern selbst unter rauen Umgebungsbedingungen zuverlässige Messdaten. Die funkbasierten IoT-Sensoren haben sich bereits in mehreren Projekten als eine ideale Lösung für Smart City, Smart Waste, Smart Environment sowie Industrieanwendungen im Kontext von Nachhaltigkeit bewiesen.

“Enabler“ der All Electric Society

„Die gesamte Elektro- und Digitalindustrie versteht sich als ‚Enabler‘ der All Electric Society, für die Transformation in eine klimaneutrale und nachhaltige Gesellschaft und Industrie“, erklärt Kegel. Mit seiner langjährigen Erfahrung in der Automatisierung und Digitalisierung von industriellen Prozessen bietet Pepperl+Fuchs bereits heute die Lösungen für effiziente und nachhaltige Produktionsprozesse. Industrielle Sensoren für eine optimale Ausbeute in der Gewinnung erneuerbarer Energien, Explosionsschutzkomponenten entlang der Wasserstoff-Wertschöpfungskette und industrietaugliche, mobile Kommunikationslösungen tragen zu einer effizienten und nachhaltigen Elektrifizierung bei. Zukunftstechnologien wie Ethernet-APL oder Outdoor-taugliche IoT-Sensoren mit LoRaWAN-Funktechnologie sorgen mit digitaler Datenübertragung und einer durchdachten Energieversorgung für Effizienzsteigerungen und Prozessoptimierungen. Der Weg zur All Electric Society ist geebnet.