Besonders in energieintensiven Industriezweigen wie der Chemie-, der Stahl- oder der Zementindustrie kann Wasserstoff in Zukunft eine wichtige Rolle auf dem Weg in Richtung Klimaneutralität übernehmen, indem er bisher verwendete fossile Brennstoffe ersetzt und so dazu beiträgt, die CO₂-Emissionen von Industrieanlagen zu senken.

Auf der Erde kommt Wasserstoff im Wesentlichen nur in Verbindung mit anderen Elementen vor – z.B. in Form von Wasser. Um daraus grünen Wasserstoff zu gewinnen, wird Wasser im Elektrolyseverfahren unter Einsatz von Strom aus erneuerbaren Energien in Wasserstoff- und Sauerstoffmoleküle aufgespalten. Dies geschieht z.B. mithilfe von Protonen-Austausch-Membranen (Proton Exchange Membrane, PEM). Diese befinden sich in sog. PEM-Zellen, die aus verschiedenen Schichten bestehen: Kathode und Anode umschließen die Membran und werden jeweils mit Katalysatorschichten versehen. Zusammen ergeben diese Schichten die Membran-Elektroden-Einheit (Membrane Electrodes Assembly, MEA). Zusammen mit einer beidseitigen Gasdiffusionsschicht und zwei Bipolarplatten (BPP) ergeben sie eine PEM-Elek­trolysezelle. Um bei der industriellen Herstellung von Wasserstoff möglichst hohe Erträge zu erzielen, werden hier gleich mehrere solcher Zellen zu einem Stack gestapelt.

Industrielle Wasserstoff-Nutzung

Produkte und Lösungen von Pepperl+Fuchs kommen in Industrieanlagen, die Wasserstoff als alternativen Energieträger nutzen, bei der Herstellung und beim Transport zum Einsatz. Ein Beispiel sind Tankstellen für FTS (Fahrerlose Transportsysteme) in der Industrie. FTS, die in Industrieanlagen verschiedene Transportaufgaben übernehmen, werden zunehmend klimafreundlich mit Wasserstoff angetrieben. Beim Tanken der mit Wasserstoff betriebenen FTS ist es besonders wichtig, den erforderlichen Druck für die Betankung zu kennen. Denn je nach Bauform der Tanks kann dieser unterschiedlich hoch sein. Eine RFID-Lösung ermöglicht die eindeutige Identifizierung der FTS vor dem Tankvorgang und gewährleistet die Freigabe des erforderlichen Drucks für die Betankung des Fahrzeugs mit Wasserstoff.

Industriebrenner

Kommt beim Befeuern von Indus­triebrennern Wasserstoff als Alternative für fossile Brennstoffe zum Einsatz, kann ein HART Loop Converter zur Optimierung des Heizwerts beitragen. Dieser Wert hängt bei der Verwendung von Wasserstoff vom Wasseranteil ab. Der HART Loop Converter sammelt verschiedene Prozessparameter aus dem Feld, wandelt sie in analoge Stromsignale um und stellt sie dem Host-System zur Verfügung. Auf Basis dieser Daten wird der Heizwert berechnet und die Dosierung des Wasserstoffs präzise angepasst.

Der Ethernet-APL-Switch von FieldConnex überträgt alle in den Feldgeräten erzeugten Prozessparameter direkt, in hoher Auflösung und ohne Drift für die Optimierung des Heizwerts und ermöglicht dabei eine durchgängige Kommunikation in alle angeschlossenen Systeme. Das schließt alle Asset-Informationen vom Typenschild über Konfigurationsparameter bis zu Diagnose- und Alarmmeldungen ein.

Wasserstofftransport

Der Transport von Wasserstoff ist technisch anspruchsvoll. Nicht nur, weil Wasserstoff ab einem gewissen Mischverhältnis mit Sauerstoff explosiv reagiert, sondern auch, weil er für den Transport verdichtet werden muss. Gasdruckregel- und Messanlagen (GDRMA) regeln und messen den Druck des Wasserstoffs für den weiteren Transport und stellen damit sicher, dass weder ein Unter- noch ein Überdruck auftritt.

Der Transport von Wasserstoff innerhalb großer Industrieanlagen erfolgt in Rohrleitungen, deren Ventile eine zuverlässige Überwachung erfordern. Induktive Positionsmesssysteme sowie robuste induktive Doppelsensoren für den explosionsgefährdeten Außenbereich erfassen und überwachen die Ventilstellung an Wasserstoffrohrleitungen und melden sie permanent zurück. Bei der Instandhaltung der Ventile unterstützen die Smart Glasses ­Visor-Ex der Pepperl+Fuchs Marke Ecom, indem sie dem mobile Worker wichtige Informationen direkt im Blickfeld anzeigen.

Aufgrund der Explosionsgefahr müssen Messgeräte für den explosionsgefährdeten Bereich ausgelegt sein. Das Überdruckkapselungssystem der Serie 6000 kann die Geräte für die Wasserstoffanalyse zuverlässig vor explosiver Atmosphäre schützen. Für die sichere Signalübertragung und den Schutz vor Überspannung im Schaltschrank der GDRMA sind verschiedene Interfacemodule eine geeignete Lösung. Ein Klemmenkasten der SR-Serie stellt die eigensichere Verteilung der Signale sicher. Überspannungsschutzmodule kommen zum Einsatz, um Überspannungen direkt am Feldgerät zu vermeiden.

Transport auf dem Seeweg

Erfolgt der Transport des Wasserstoffs auf einem Gastanker, muss auch hier der Explosionsschutz gewährleistet sein. Das Produktportfolio von Pepperl+Fuchs für den Ex-Bereich bietet auch für den Wasserstofftransport auf dem Seeweg eine Reihe von Lösungen. So ist das FB-Remote-I/O-System, eingebaut in ein Gehäuse der SR-Serie, ideal geeignet, um die Feldsignale auf dem Schiff zu verbinden. Für die zuverlässige Steuerung des Krans auf dem Gastanker bietet sich eine geflanschte Ex-de-Lösung an, die ein Gehäuse in der Zündschutzart „druckfeste Kapselung“ (Ex d) mit den Vorteilen der Zündschutzart „erhöhte Sicherheit“ (Ex e) verbindet. So können Komponenten, die nicht für den explosionsgefährdeten Bereich geeignet sind, auch auf dem Gastanker sicher bei der Kransteuerung eingesetzt werden, während zertifizierte Bedienelemente im Ex-e-Gehäuse einfach zugänglich sind.

Transport in Form von Ammoniak

Wegen der geringen Energiedichte ist der Schiffstransport für reinen Wasserstoff nicht die ideale Lösung. Daher wird er meist in Form eines Derivats transportiert, also in Verbindung mit einem weiteren Stoff. Ammoniak erweist sich hier aus verschiedenen Gründen als geeignet: Zum einen ist die Energiedichte von Ammoniak sehr viel größer als die von Wasserstoff, zum anderen werden bereits heute jährlich mehrere Millionen Tonnen auf dem Schiffsweg transportiert. Nach dem Transport erfolgt im Cracking-Verfahren die Aufspaltung des Ammoniaks in Wasserstoff und Stickstoff.

Da es sich bei Ammoniak um einen explosiven Stoff handelt, sind entsprechende Maßnahmen zum Schutz von Mensch und Umwelt erforderlich. Pepperl+Fuchs trägt nicht nur auf dem Gastanker, sondern auch an Ammoniak-Terminals mit verschiedenen Produkten und Lösungen zum Explosionsschutz bei. Sie unterstützen bei der sicheren Entladung des Transportschiffs, am Tanklager und in der Cracking-Anlage.

Autor: Wolfgang Weber, Global Industry Manager Renewable Energy, Pepperl+Fuchs SE, Mannheim

„Wegen der geringen Energiedichte ist der Schiffstransport von reinem Wasserstoff nicht die ideale Lösung.“