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Grüne Technik für grünen Wasserstoff
Archiv | 05.07.2022 | Energiewende geht nur mit grünem Wasserstoff. Seine Erzeugung und sein Einsatz erfordern eine lange und technisch komplexe Wertschöpfungskette. Darin werden zahlreiche Sensoren unterschiedlichster Typen sowie explosionsgeschützte Komponenten für die Signalübertragung benötigt, um sichere automatisierte Prozesse zu ermöglichen. Das breite Geräte-Portfolio Pepperl+Fuchs bietet der Wasserstoffwirtschaft zahlreiche bewährte Lösungen, die auf umfassendem Know-how beruhen.
Die grüne Wasserstoffwirtschaft steht zwar noch am Anfang, wird aber weltweit politisch gefördert und mit grossem technischen Aufwand vorangetrieben. Denn Wasserstoff ist das perfekte Kreislaufelement: Gewinnt man es durch Elektrolyse aus Wasser, wird Sauerstoff frei. Bringt man beides wieder zusammen, erhält man Energie und Wasserdampf. Grün wird der Kreislauf jedoch erst, wenn der Strom für die Elektrolyse aus erneuerbaren Quellen stammt.
Erneuerbare optimieren
Das erste Glied der Wertschöpfungskette ist also die Energieerzeugung, wobei der Ausbau von Wind- und Solarenergieanlagen im Vordergrund steht. Natürlich will man aus diesen Anlagen möglichst viel herausholen: Windräder zum Beispiel erreichen die höchste Ausbeute, wenn sowohl die Rotorblätter als auch die Gondel optimal zum Wind ausgerichtet sind.
Dafür benötigt die Steuerung eine Reihe von Daten aus der Anlage, die von Sensoren ermittelt werden. Pepperl+Fuchs bietet Geräte für unterschiedlichste Aufgaben an, wie zum Beispiel die Absolutwert-Drehgeber, welche die Position der Gondel sowie die Winkelstellung der Rotorblätter erfassen. Mit Inkremental-Drehgebern wird die Generatordrehzahl gemessen – eine weitere zentrale Grösse. Schwingungs- und Beschleunigungssensoren erfassen die Auslenkung der Gondel und des gesamten Turms unter der Windeinwirkung. Alle diese Daten sind wichtig für den Schutz der Anlage vor Überlast, zudem verhindern P+F-Überspannungsschutzmodule Schäden an Steuerungstechnik und Signalübertragung durch Blitzschlag.
In solarthermischen Kraftwerken stehen ähnliche Positionierungsaufgaben an wie bei den Windrädern. Die optimale Energieausbeute hängt bei ihnen von der Stellung der beweglichen Spiegel ab, die dem Sonnenstand nachgeführt werden. Auch hier kommen die Daten von Drehgebern sowie von Neigungssensoren, die ebenfalls im Portfolio von Pepperl+Fuchs zu finden sind. Da Wind- und Solaranlagen grundsätzlich extremen Wetterverhältnissen ausgesetzt sind, greift man auf besonders robuste Geräte mit den entsprechenden Temperaturbereichen und Schutzarten zurück.
Ex-Schutz beim Transport
Wenn der grüne Strom in den Elektrolyseur fliesst, kommt am anderen Ende ein hochexplosives Gas heraus. Von diesem Punkt an ist der Explosionsschutz elementarer Bestandteil aller weiteren Schritte, von der Verdichtung über den Transport bis zur Verwendung des Gases. In den Ex-Bereichen müssen dementsprechend die vorgeschriebenen Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Hier wird auf die Prinzipien und die Technik zurückgegriffen, die sich beim Umgang mit Erdgas bewährt haben. Der Ex-Schutz funktioniert für beide Gase grundsätzlich gleich. Für diesen Bereich bietet Pepperl+Fuchs ein breites Portfolio verbindungstechnischer Komponenten an, die eine sichere Signalübermittlung in Ex-Zonen ermöglichen.
Als ein Beispiel kann hier das Überdruckkapselungssystem der Serie 6000 dienen, das Geräte für die Wasserstoffanalyse zuverlässig vor explosiver Atmosphäre schützt. Für die sichere Signalübertragung und den Schutz vor Überspannung im Schaltschrank stehen verschiedene Interfacemodule zur Verfügung; ein Klemmenkasten der SR-Serie gewährleistet die eigensichere Verteilung der Signale. Überspannungsschutzmodule verhindern Überspannungen an den Feldgeräten.
Induktive Sensoren melden die Ventilposition in Gasdruckregel- und Messanlagen. Der extrem robuste induktive Doppelsensor F31K2 für den explosionsgefährdeten Aussenbereich überwacht kontinuierlich die Ventilstellung an Wasserstoffrohrleitungen. Das FB-Remote-I/O-System, in einem Gehäuse der SR-Serie führt Feldsignale zusammen und kann auch auf Gastankschiffen verwendet werden. Bei Instandhaltungsarbeiten können die Mitarbeiter die Smart Glasses Visor-Ex 01 der Pepperl+Fuchs-Marke ecom aufsetzen, die alle wichtigen Informationen direkt im Blickfeld anzeigen und für Ex-Bereiche zugelassen sind.
H2 in Industrie und Verkehr
Auf dem Weg zur CO2-neutralen Industrieproduktion kann Wasserstoff als Brennstoff sowie als reduktives Element verwendet werden, etwa in den Brennöfen der Zementindustrie, den Steam-Crackern der Petrochemie oder den Öfen in der Glas-, Porzellan- und Metallindustrie. Wo Wasserstoff als Alternative für fossile Brennstoffe zum Einsatz kommt, kann der HART Loop Converter von Pepperl+Fuchs zur Optimierung des Heizwerts beitragen. Diese hängt unmittelbar vom Wasseranteil im Gas ab. Der Converter sammelt Prozessparameter aus dem Feld und wandelt sie in analoge Signale, die als Grundlage zur präzisen Dosierung des Wasserstoffs dienen.
Während Wasserstoff als Treibstoff für PKW auf absehbare Zeit eher die Ausnahme bleiben dürfte, entwickelt er sich in der Intralogistik und im Schwertransport zusehends zu einer praktikablen Alternative zu Diesel- und Batteriebetrieb. Längst tanken viele Gabelstapler und fahrerlose Transportsysteme (FTS) Wasserstoff. Grosse LKW-Hersteller arbeiten mit Hochdruck an der Entwicklung von Wasserstoffantrieben, ähnliches gilt für Schiffsbau und Flugzeugindustrie. Die ersten H2-Lokomotiven nehmen derzeit den Betrieb im Linienverkehr auf. Zahlreiche Projekte in diesen Bereichen lassen ein kräftiges Wachstum in nächster Zeit erwarten.
Tanken als Herausforderung
Doch wie kommt der Wasserstoff aus der Rohrleitung oder dem Trailer in den Fahrzeugtank? Das geht nicht ganz so einfach wie das Umfüllen von Benzin und Heizöl. In einem Niederdruckspeicher hat das Gas einen Druck zwischen 20 und 200 bar. Damit der mobile Tank genügend Reichweite bietet, braucht es jedoch deutlich mehr Kompression, wofür ein Hochdruckverdichter sorgt. Ausserdem muss bei Umfüllprozessen ein Austreten der superkleinen Wasserstoffmoleküle zuverlässig verhindert werden. Somit sind einige besondere Vorkehrungen nötig.
Der korrekte Sitz des koppelbaren H2-Füllstutzens wird von Magnetfeldsensoren überwacht. Als Sicherheitsmassnahme für den Fall einer Kollision erkennen Beschleunigungs- und Neigungssensoren kritische Erschütterungen und lösen bei Bedarf die Notabschaltung der Tankanlage aus. Ein RFID-System dient dem Tankmanagement mit automatischer Abrechnung. Für die durchgängige Datenübertragung sorgen ein Comtrol IO-Link-Master ICE2 und ein Unmanaged Ethernet-Switch. Für die Steuerung des Verdichters bietet sich ein Steuerkasten der SR-Serie an.
Um den mehrstufigen Ablauf intuitiv zu überwachen, kann das Bedienpersonal hochauflösende Monitore nutzen, etwa die HMI-Panel der Serie VisuNet FLX mit optisch gebondeten Displays, die auch bei Sonneneinstrahlung gute Sicht gewähren und für den Ausseneinsatz in einem Ex-Bereich geeignet sind. Geräte von Pepperl+Fuchs sind in allen Gliedern der Wertschöpfungskette zu finden.
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