Geräte und Interfaces Alltag mit H2: Automatisierungstechnik für grünen Energieträger

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Wasserstoff ist nicht nur Energie-, sondern auch Hoffnungsträger. Allerdings birgt der Umgang mit dem flüchtigen Gas – von der Gewinnung bis zum Endverbrauch – besondere technische Herausforderungen und benötigt eine komplexe Infrastruktur. Das Portfolio von Pepperl+Fuchs enthält Geräte und Interfaces für die gesamte grüne H2-Wertschöpfungskette.

Die Dringlichkeit des Klimaschutzes wird von Sommer zu Sommer immer deutlicher. Die Politik antwortet darauf in vielen Ländern unter anderem mit der staatlichen Förderung der grünen Wasserstoffwirtschaft. H2, das erste und leichteste Element des Periodensystems, kann als breit einsetzbarer Energieträger dienen. Daneben kann es zum Beispiel in der Metallurgie auch die Aufgabe des reduktiven Stoffes übernehmen, die bisher von Kohle und Kohlenwasserstoffen erfüllt wurde. Mit diesen Eigenschaften hat Wasserstoff das Potenzial, fossile Brennstoffe umfassend ersetzen.

Natürlich darf es nur grüner Wasserstoff sein, der durch Elektrolyse ohne CO2-Ausstoß gewonnen wurde. Deshalb steht am Anfang der grünen H2-Wertschöpfungskette das stromproduzierende Kraftwerk. Die wichtigsten Formen der erneuerbaren Energiegewinnung sind weltweit die Nutzung von Wind- und Solarenergie. Bei letzterer denken die meisten zuerst an Photovoltaik, doch die größten Kraftwerke verwenden solarthermische Verfahren. Diese benötigen für Effizienz und Anlagenschutz ebenso wie die Windräder eine präzise und reaktionsschnelle Steuerung, die Daten aus der Umwelt und der Anlage auswertet.

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Das meiste rausholen

Bei einem Wasser- oder Kohlekraftwerk wird das Kraftmedium durch die Konstruktion optimal zur Turbine gelenkt. Beim Windrad muss man den Spieß gezwungenermaßen um- und die Rotoren in den ständig wechselnden Wind drehen. Die Nabe muss gegen die Windrichtung stehen, die einzelnen Rotorblätter sollen je nach Windstärke den optimalen Neigungswinkel aufweisen.

Um sie jeweils richtig einzustellen, muss die Steuerung die aktuelle Position der Nabe und der Rotorblätter kennen. Diese wird von Absolutwert-Drehgebern erfasst. Weht der Wind jedoch zu stark, müssen die Komponenten in eine Schutzstellung befördert werden. Eine drohende Überlast wird unter anderem anhand der Drehzahl der Generatorwelle erkannt. Hier liefert ein Inkremental-Drehgeber den benötigten Wert. Darüber hinaus sind Schwingungs- und Beschleunigungssensoren im Einsatz, um die Auslenkung der Gondel und des gesamten Turms unter der Windeinwirkung zu messen. Nicht zuletzt werden Überspannungsschutzmodule benötigt, um Steuerungstechnik und Signalübertragung gegen einen Blitzschlag abzuschirmen. Alle genannten Module werden vom Mannheimer Sensorspezialist Pepperl+Fuchs angeboten.

Einige von ihnen werden auch in solarthermischen Kraftwerken verwendet, die das Sonnenlicht mit beweglichen Spiegeln einfangen. Um diese exakt und kontinuierlich dem Sonnenstand nachzuführen, wird ihre Positionierung in der horizontalen und vertikalen Achse von Drehgebern sowie von Neigungssensoren erfasst.

Da Wind- und Solaranlagen naturgemäß extremen Wetterverhältnissen ausgesetzt sind, werden für sie besonders robuste Geräte benötigt, die über widerstandsfähige Gehäuse, eine großen Temperaturbereich und hohe Schutzarten verfügen.

Komponenten mit Ex-Schutz

Der grüne Strom fließt zum Elektrolyseur. Dessen Produkt Wasserstoff ist nicht nur grün, sondern auch explosiv. Beim Umgang mit Wasserstoff gelten daher dieselben Prinzipien wie bei Erdgas. Für die Prozessautomatisierung kann man hier also auf das entsprechende Know-how und die in diesem Bereich bewährten Geräte zurückgreifen.

Dazu gehören zum Beispiel die Stellungsrückmelder für die Ventile, mit denen der Gasstrom geregelt wird. Hier steht unter anderem der robuste induktive Doppelsensor F31K2 zur Verfügung, der für den Einsatz im explosionsgefährdeten Außenbereich zertifiziert ist. Für Instandhaltungsarbeiten kann man dort auf explosionsgeschützte Mobilgeräte und Smart Glasses der Pepperl+Fuchs-Marke Ecom zurückgreifen.

Natürlich unterliegt die Signalübertragung ebenfalls den Anforderungen des Explosionsschutzes. Hier hält Pepperl+Fuchs ein breites Portfolio verbindungstechnischer Komponenten mit unterschiedlichen Schutzarten bereit. Sie können in den verschiedenen Zonen und Einsatzbereichen zur geschützten Signalübermittlung verwendet werden. So wird etwa das Überdruckkapselungssystem der Serie 6000 bei Geräten für die Wasserstoffanalyse eingesetzt. Schaltschränke mit Purge-Ausrüstung können auch für Komponenten ohne eigenen Ex-Schutz die geforderte Sicherheitsstufe gewährleisten. Für die eigensichere Verteilung der Signale sorgen Interfacemodule sowie Klemmenkästen der SR-Serie.

Neue Lösungsoptionen: LoRaWAN-Technologie

Grüne Wasserstofftechnologie wurde bisher in eher kleineren Pilotanlagen eingesetzt, ihre Skalierung nach oben ist aber so notwendig wie absehbar. In räumlich ausgedehnten Anlagen lässt sich mit batteriegestützten Funkmodulen der Verkabelungsaufwand minimieren. Insbesondere die LoRaWAN-Technologie (Long-Range Wide-Area-Network) eröffnet hier neue Lösungsoptionen ohne Kosten für die reine Datenübertragung. Sie erreicht Reichweiten von 2 km in bebauten Arealen und über 15 km auf freiem Feld, bei hoher Datensicherheit durch eine echte Ende-zu-Ende Verschlüsselung. Pepperl+Fuchs hat als einer der ersten Anbieter LoRaWAN-fähige Geräte entwickelt und weitet dieses spezielle Portfolio stetig weiter aus.

Mit H2 unterwegs

Der Verkehr hat einen großen Anteil am CO2-Ausstoß. Die batteriegestützte E-Mobilität bietet aber nicht für alle Bereiche eine praktikable Lösung. Für die nichtelektrifizierte Bahn, für LKW, Schiff- und Luftfahrt bietet Wasserstoff dank hoher Energiekapazität eine realistische Perspektive zur Dekarbonisierung. Erste H2-Lokomotiven sind bereits im Einsatz, ebenso wie brennstoffzellengetriebene Trucks.

Wasserstoff zu tanken dauert kaum länger als Diesel oder Kerosin, sofern die benötigte spezielle Tanktechnologie zur Verfügung steht. Eine H2-Tankstelle muss über wirksamen Explosionsschutz verfügen und das Austreten des flüchtigen Gases wirksam verhindern können.

Die hermetische Kopplung des H2-Füllstutzens mit der Öffnung des Fahrzeugtanks lässt sich mit induktiven Sensoren überwachen; ein Beschleunigungssensor bietet zusätzlichen Schutz, indem er bei einer Kollision die Sicherheitsschaltung auslöst. RFID-Systeme können das angedockte Fahrzeug erkennen, damit die richtige Druckstufe automatisch eingestellt werden kann. Ihre Daten können auch für die Abrechnung verwendet werden. Hochauflösende, Ex-geschützte Industriemonitore wie das HMI-Panel der Serie VisuNet FLX helfen bei der Abwicklung des Tankvorgangs.

Fazit: Die vielfältigen Geräte und Module von Pepperl+Fuchs bieten beim Aufbau der H2-Wertschöpfungsketten zahlreiche in der Praxis bereits bewährte Lösungsoptionen. (in)

Kabel & Leitungen

Verbindungen fürs sichere Tanken von Wasserstoff

* Wolfgang Weber, Global Industry Manager bei Pepperl+Fuchs

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