Grüner Wasserstoff ist eines der Schlüsselelemente für die erfolgreiche Umsetzung der Energiewende. Aus Wind-, Wasser- oder Solarenergie erzeugter Strom lässt sich durch Elektrolyse in Wasserstoff umwandeln, der in Tanks gespeichert, transportiert sowie orts- und zeitunabhängig verwendet werden kann. Energie aus erneuerbaren Quellen kann mithilfe von Wasserstoff gespeichert und bei Bedarf wieder ins Netz eingespeist werden. Mit PC-based Control von Beckhoff lassen sich verschiedenste Applikationen rund um die Erzeugung, Lagerung, Transport und Nutzung von Wasserstoff automatisieren. Eine besondere Rolle spielt dabei häufig auch die präzise Messtechnik, mit der z. B. Elektrolyseprozesse und die sichere Lagerung von Wasserstoff überwacht werden.
Spannungsmessung – zellenweise und über den Gesamtstapel
Die Erzeugung von Wasserstoff geschieht über Elektrolyse, bei der Wasser mithilfe elektrischer Energie in die Elemente Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Ein typsicher industrieller Elektrolyseur besteht aus mehreren Elektrolysezellen.
Während des Elektrolysevorgangs ist die Messung bzw. Beobachtung der Strom-Spannungs-Kennlinie der einzelnen Zellen essenziell: Die Zellspannung steht dabei im direkten Zusammenhang mit der Wasserstoff-Produktion.
Wird die Zellspannung erhöht, resultiert daraus eine größere Stromdichte und damit auch eine erhöhte Wasserstoffproduktion. Demgegenüber steht ein reduzierter Wirkungsgrad. Die genaue Überwachung aller Parameter ermöglicht, einen optimalen Arbeitspunkt zu wählen. Aufgrund der Einbaulage der Zellen im Stack lässt sich die Spannung allerdings nur für das gesamte System einstellen. Die Einzelzellspannungen können aber unterschiedliche Werte einnehmen und über die Lebensdauer des Elektrolyseurs driften. Damit verbunden stellen sich unbekannte Arbeitspunkte ein, die entweder einen reduzierten Wirkungsgrad oder eine reduzierte Lebensdauer zur Folge haben. Um diese Drifts frühzeitig zu erkennen und entsprechende Wartungsintervalle einleiten zu können, ist es sinnvoll, die Einzelzellspannungen zu messen.
Eine Lösung dafür bietet die EtherCAT-Klemme EL3008-0003: Sie verfügt über acht Spannungseingänge mit ±3 V und kann durch die Auflösung von 16 Bit, 2 kSps, ±0,1 %MBE sehr genau und schnell alle relevanten Parameter während des Elektrolysevorgangs erfassen. Das kaskadierte Messprinzip der Klemme reduziert den Verdrahtungsaufwand deutlich und die hohe Isolation erlaubt den Betrieb bis zu einer Gesamtstapelspannung von 1.000 V. Das macht die Klemme auch für große Systeme nutzbar. Durch das modulare Konzept lässt sich die Klemme damit sowohl für Versuchsaufbauten als auch für ein dauerhaftes Langzeitmonitoring in Kombination mit der gesamten Anlagensteuerung einsetzen.
Parallel dazu lohnt es sich, mit der EtherCAT-Klemme EL3002-0205 die Gesamtspannung mit bis zu 10.000 Messwerten je Sekunde zu messen. Diese Klemme kann hochauflösend (24 Bit) einen Spannungsbereich bis 1.200 V abdecken. So erhalten die Betreiber von Wasserstoffelektrolyseuren ein aktuelles Gesamtbild der Vorgänge und können den Betriebspunkt optimal anfahren sowie in Störfällen schnell reagieren.
Temperaturmessung
Ein weiterer wichtiger Faktor während des Elektrolysevorgangs ist die Temperatur der Zellen: Mit steigender Temperatur erhöht sich auch der Wirkungsgrad, gleichzeitig sinkt aber die Lebensdauer. Es ist also sinnvoll, die Temperatur des Elektrolyseurs an mehreren Stellen zu überwachen, um eine möglichst homogene Wärmeverteilung zu gewährleisten. Auch hierfür bietet Beckhoff ein umfangreiches Portfolio an Messgeräten in IP20-Bauform für den Schaltschrank oder IP67 zur direkten Montage an der Anlage.
Anschließbar sind z. B. RTDs, NTCs oder Thermoelemente. Für die Erfassung dieser Signale kann je nach Anspruch an die Genauigkeit und Sampling-Rate ein passendes Produkt aus dem Beckhoff Portfolio ausgewählt werden.
Auf die Produktion von grünem Wasserstoff mittels Elektrolyse haben auch zahlreiche weitere Parameter einen Einfluss. Um die Lebensdauer und den Wirkungsgrad der Elektrolyse zu optimieren, müssen diese genau beobachtet werden. Viele dieser Messungen werden von Feldgeräten ermittelt und mit 4...20 mA an einen Standard-Analogeingang angeschlossen.
Energiemonitoring
Die Energiemessprodukte von Beckhoff bieten erhebliche Vorteile bei der Überwachung und Steuerung von Wasserstoffelektrolyseuren. Durch die präzise Strom- und Spannungsmessung der in den Elektrolyseur einfließenden Leistung mittels EtherCAT-Klemmen EL34xx und Stromwandlern der SCT-Serie können Betreiber Lastspitzen und Anomalien, wie z. B. über die Zeit steigende Verbräuche, effektiv erkennen und darauf reagieren. Besonders in Spannungsverteilungen mit vielen zu messenden Verbrauchern zeigt die verteilte Leistungsmessung EL34xx "Distributed Power Measurement" von Beckhoff ihre Kosteneffizienz: Auf nur 12 mm Bauraum können bis zu sechs Stromkanäle gemessen werden. Die entsprechenden Spannungswerte werden einmalig im System erfasst und per EtherCAT an die Strommessgeräte übermittelt, was eine effiziente und präzise Verteilung der Messwerte sicherstellt.
Neben der Energiemessung spielt auch die Überwachung der Stoffströme eine entscheidende Rolle. Die Stoffströme (Wasser, das in den Elektrolyseur einfließt, sowie Wasserstoff und Sauerstoff, die herausströmen) müssen kontinuierlich überwacht werden, um den Betrieb des Elektrolyseurs zu optimieren. Beckhoff sammelt die Messdaten der entsprechenden Sensoren einfach per EtherCAT und vielen anderen unterstützten Bussystemen ein. Diese Sensordaten können dann mit PC-based Control von Beckhoff bilanziert werden, wodurch Betreiber schnell Anlagenfehlverhalten oder einen ineffizienten Betrieb identifizieren und korrigieren können.
In Kombination mit Beckhoff IoT-Lösungen wird ein transparentes, flexibles und kosteneffizientes Energiemanagement ermöglicht. Die Daten lassen sich in Echtzeit überwachen und analysieren, was zu einer verbesserten Betriebsführung und einer optimierten Energieeffizienz führt. Diese umfassende Überwachung und Analyse tragen dazu bei, die Lebensdauer der Elektrolyseure zu verlängern und die Betriebskosten zu senken, was letztendlich die Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit der Wasserstoffproduktion verbessert.
Condition Monitoring der Gasinstallation
Anlagen für Wasserstofferzeugung, -transport und -verbrauch sind mit umfangreichen Gassystemen wie z. B. Rohren, Pumpen und Ventilen ausgerüstet. Die Integrität der Rohrleitungen und Pumpen, die Wasserstoff transportieren, ist von entscheidender Bedeutung, um Leckagen und potenzielle Gefahren zu vermeiden. Durch eine kontinuierliche Überwachung von mechanischen Parametern, beispielsweise Druck, Temperatur und Vibrationen, können frühzeitig Abnutzungserscheinungen oder Materialermüdungen erkannt werden. Das Condition Monitoring der Rohrsysteme zur mechanischen Analyse der Bauteile ist wichtig, um die Betriebssicherheit dauerhaft sicherzustellen. Beckhoff bietet verschiedene Lösungen, um diese mechanische Überwachung umzusetzen.
Pumpen, die in Wasserstoffanlagen eingesetzt werden, sind hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Daher ist es sinnvoll, sie mit Vibrationssensoren auszustatten, die via Beckhoff EtherCAT-Analog-I/Os (als IEPE- oder 10V/20mA-Signal, verfügbar in IP20- und IP67 Bauform) in die zentrale Anlagenüberwachung eingelesen werden. Mechanische Anomalien können so frühzeitig erkannt werden. Für die Berechnung bietet Beckhoff einerseits leistungsfähige PC-basierte Steuerungsplattformen, andererseits spezifische SPS-Bibliotheken oder die Datenhandling-Plattform TwinCAT Analytics, um die hilfreichen Kennwerte aus den Messwerten mathematisch zu extrahieren und zu visualisieren. Neben der mechanischen Überwachung ist es auch sinnvoll, aktuelle Stromwerte der Pumpen zu erfassen. Diese können bevorzugt über EtherCAT-Klemmen EL34xx mit bis zu 100 kSps je Phase gemessen werden. Hinzu kommt ggf. die Temperaturerfassung über diskrete Sensoren, eingelesen über RTD/TC-Analogeingänge in den Beckhoff I/O-Systemen.
Mit diesen drei Messdimensionen kann der Zustand von Installationskomponenten sehr gut überwacht werden. So hilft Condition Monitoring dabei, Unregelmäßigkeiten im Betrieb zu identifizieren, die auf Lagerprobleme oder Unwuchten hinweisen können. Solche Analysen ermöglichen es, gezielte Wartungsmaßnahmen durchzuführen, bevor es zu einem Ausfall kommt.
Auch an Ventilen kann eine gezielte Überwachung sinnvoll sein, im Hinblick auf die Temperaturentwicklung durch Expansionsvorgänge oder auch bzgl. der real vorliegenden Ventilposition. Solche Signale sind mit dem Beckhoff I/O-Systemen einfach einzulesen. Letztendlich sind Schwingungen an den Rohrleitungen selbst ein kritischer Faktor. Wo nötig, sind auch diese mit den genannten Methoden sicher messtechnisch zu erfassen.
Insgesamt trägt PC-basiertes Condition Monitoring zur Sicherheit und Effizienz von Wasserstoffanlagen bei, indem es mechanische Probleme frühzeitig erkennt und adressiert. Dies minimiert das Risiko von Ausfällen und Unfällen, verlängert die Lebensdauer der Anlagenkomponenten und sorgt für einen sicheren Betrieb.
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