Analyse der Wasserstoffqualität im Ex-Bereich

Analyse der Wasserstoffqualität im Ex-Bereich
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Frontansicht des Schranks mit Sichtfenster zu den Analysegeräten
Archiv | 09.11.2023 | Der Einsatz von konventionellen Analysegeräten in explosionsgefährdeten Bereichen ist aufgrund häufig fehlender Zulassungen kompliziert. Um nicht als Zündquelle zu fungieren, muss Equipment ohne ATEX- oder IECEx-Zertifizierung besonders geschützt werden. Dabei sind Analysegeräte für viele Prozesse unabdingbar.

Um den Wasserstoffreinheitsgrad an Wasserstofftanksäulen in Ex-Bereichen prüfen zu dürfen, sind Gehäuselösungen notwendig. Pepperl+Fuchs hilft mit seiner jahrzehntelangen Erfahrung bei der Konzeption und dem Bau solcher Lösungen für die Prozessindustrie. Als Spezialist für den elektrischen Explosionsschutz bietet das Unternehmen neben weltweitem Support auch globale Zulassungen nach NEC, ATEX und IECEx, um die Technologien der Zukunft weiter voranzutreiben.

Warum Wasserstoffanalyse? 

Die Nutzung von grünem Wasserstoff als Alternative zu fossilen Brennstoffen wird für Deutschlands Industrie immer mehr zu einem wichtigen Kernthema. Dabei sind die Einsatzbereiche vielfältig und lassen sich in sehr viele Industriebereiche übertragen. Ob als Reduktionsmittel in der Stahlindustrie, als Ersatz von Erdöl in der Chemieindustrie oder als Reinigungsmittel in der Petrochemie, die Einsätze sind global und universell. Der wohl bekannteste Einsatzbereich ist die Nutzung des Wasserstoffs als Kraftstoff im Verkehr. Dank Brennstoffzellen lässt sich aus der Kombination aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrischer Strom erzeugen. Mit diesem können KFZ mit Elektromotor angetrieben werden können. 

Für eine optimale Nutzung des Wasserstoffs muss der Reinheitsgrad des Elements zu jeder Zeit sichergestellt werden. Verunreinigungen können eine vorzeitige Alterung an der Brennstoffzelle hervorrufen, den Kraftstoff verdünnen und somit die Effizienz verringern, oder einen Defekt und Austausch des Brennstoffzellen-Stacks nach sich ziehen. Um solche Schäden zu verhindern, werden an Übergabestationen vor Ort Analysegeräte platziert. Diese überwachen durchweg die Qualität des zugeführten Wasserstoffs und informieren im Falle einer Abweichung von den Vorgaben.

Da es sich bei Wasserstoff um ein entzündliches Gas handelt, befinden sich die Zapfsäulen grundsätzlich in explosionsgefährdeten Bereichen. Diese sind als Ex-Zonen oder Divisions deklariert. Die eingesetzten Analysegeräte verfügen in den meisten Fällen jedoch über keine spezifische Zulassung für den Ex-Bereich und dürfen somit nicht in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden. Um die Verwendung der Geräte trotzdem zu ermöglichen, ist es notwendig, die Geräte ‚Ex-fähig‘ zu machen. Dies wird in den meisten Fällen mit Hilfe eines Gehäuses realisiert, welches durch die Zündschutzart der Überdruckkapselung abgesichert ist.
 

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Purge Controller 6500 mit automatischer Überwachung und Kontrolle von Gehäusedruck und -temperatur.
Einsatz von Wasserstoffanalysegeräten im Ex-Bereich ermöglichen 

Das Konzept der Überdruckkapselung besteht darin, die verbauten elektrischen Betriebsmittel von der explosionsfähigen Atmosphäre zu separieren. Dazu verwendet man ein Gehäuse, welches mit einem für die jeweilige Ex-Zone oder Division zugelassenen Überdruckkapselungssystem bestückt wird.  Um die Überdruckkapselung zu ermöglichen, wird das Gehäuse zunächst durch Druckbeaufschlagung ‚gereinigt‘. Dies erfolgt entweder mit einem Inertgas oder sauberer Luft. Nach der Reinigung wird mit Hilfe der Regelung im Inneren des Gehäuses ein minimaler Überdruck (wenige Millibar) aufrechterhalten. Zum Überdruckkapselungssystem zugehörige Komponenten wie Ventil und Druckwächter überwachen und stellen sicher, dass keine Ex-Atmosphäre in das Gehäuse eindringen kann. So können auch konventionelle Elektrogeräte wie Analysatoren im Ex-Bereich eingesetzt werden. Im Fehlerfall reagiert die Steuereinheit. Diese meldet nicht nur, sie schaltet im Notfall die Anlagen auch sicher ab. Dies geschieht jedoch nur, sofern ein voreingestellter Minimaldruck unterschritten wird. Bei leichten Druckabfällen gleicht die Leckage-Kompensation den Druckverlust aus.  Dies ermöglicht, den Fehler im laufenden Betrieb zu beheben. 

Eine solche Gehäuselösung zur Analyse der Wasserstoffqualität wünschte auch ein grosser, in den USA ansässiger Hersteller für Analysegeräte. Ziel war es, ein Produkt zu entwickeln, welches Anbietern von Wasserstofftankstellen ermöglicht, die Qualität des Wasserstoffs direkt an den Zapfsäulen sicherzustellen. Dabei sollen drei dafür entwickelte Analysegeräte prüfen, ob alle Normvorgaben zur Wasserstoffqualität eingehalten werden. Denn je nach Herstellungsverfahren können im Wasserstoff unterschiedlichste Verunreinigungen auftreten. In diesem Fall werden sieben verschiedene Gase detektiert und analysiert. Der Kunde ist dabei an Pepperl+Fuchs herangetreten, für ihn eine Ex-fähige Gehäuselösung zu entwickeln. Der Kunde hatte eine Vielzahl an bestimmt Anforderungen und wünsche welche in das Design integriert werden mussten. Der Kunde stellte das eigenentwickelte Equipment zur Verfügung und vertraute Pepperl+Fuchs, einem Experten auf diesem Gebiet, eine praktikable und sichere Lösung zu entwickeln.

Vollständig zertifizierte und einsatzfähige Plug&Go Lösung 

Pepperl+Fuchs übernahm das Engineering, inklusive der Auswahl eines passenden Schranks, und entwickelte eine Lösung. Das Ergebnis war eine direkt einsatzfähige Gehäuselösung mit Analysegeräten, verwendbar in den Zonen 1, 21 und 2, 22. Die Ingenieure achteten zudem auf die kleinen, jedoch wichtigen Details. Um beispielsweise eine einfache Wartung zu gewährleisten, wurden vorne und hinten am Schrank Türen eingebaut. Das bietet die Möglichkeit, die Analysegeräte zu inspizieren, ohne diese vorher ausbauen zu müssen. Zudem wurden Rohre aus speziellem Edelstahl zu den Analysegeräten gelegt, die für den Einsatz mit Wasserstoff notwendig sind. Die Projektingenieure von Pepperl+Fuchs übernahmen ausserdem die vollständige Zertifizierung und den Bau der Gehäuselösung nach ATEX- und IECEx-Richtlinien. Das Schutzniveau Ex pxb der Überdruckkapselung entspricht dabei der Zulassung gemäss Norm IEC 60079-2 für die Zone 1.

Diese vollständig zertifizierte und direkt einsatzbereite Lösung wird nun Betreibern von Wasserstoffbetankungsanlagen als Standardlösung angeboten. Es handelt sich somit nicht  um  ein einmaliges Projekt, sondern um eine für Kunden höchst flexible Lösung. Endkunden kaufen ein Produkt, welches vor Ort direkt einsatzbereit ist. Schnelle Analysen bei zuverlässigem Explosionsschutz sind bei höchster Betriebssicherheit garantiert. 

Langjähriger Partner in der Prozessindustrie 

Auch viele andere Partner profitieren vom umfangreichen Know-how von Pepperl+Fuchs. Engineering-Teams, verteilt auf weltweit sechs Solutions-Engineering-Centers (SEC), finden für den Kunden stets die wirtschaftlich und technologisch beste Lösung. Die Produktspezialisten übernehmen dabei Engineering, Design, Zertifizierung und Bau der massgeschneiderten Steuerungs- und Verteilungslösungen. Nach gemeinsamer Abnahmesind die Lösungen sofort einsatzbereit und können an ihren vorgesehenen Einsatzort geliefert werden. 

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