gesponsertDekarbonisierung Zuverlässige Messtechnik für CO2-neutrale Prozesse

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Endress+Hauser (Deutschland) GmbH+Co. KG

Die Erwartungen sind groß: Wasserstoff ermöglicht die Dekarbonisierung verschiedener Industrien, die Integration erneuerbarer Energien und eine emissionsfreie Mobilität. Auch als Zwischenspeicher für überschüssige Energie bringt er sich ins Spiel. Doch ohne zuverlässige Messtechnik lässt sich dieses Potenzial nicht ausschöpfen.

Auf dem Weg zu einer klimaneutralen Chemieproduktion spielt die Wasserstofftechnologie eine entscheidende Rolle, auch aus wirtschaftlicher Sicht. Noch sind allerdings die technischen Anforderungen an die Transformation, sei es für die Herstellung, den Transport, die Lagerung oder die Nutzung des Wasserstoffes, sehr hoch. „Ohne hochpräzise und zuverlässige Messinstrumente – und zwar entlang der gesamten Wertschöpfungskette des Wasserstoffes – ist der Wechsel auf eine sichere und erfolgreiche Wasserstoffindustrie nicht denkbar“, betont Jens Hundrieser, Regional Industry Manager Endress+Hauser Deutschland. Und das bezieht sich nicht allein auf die Produktion und Verteilung. Zuverlässige Messwerte dienen auch dazu, Vorschriften, Abrechnungen, Qualitätsnachweise und Umweltbestimmungen durch Rückverfolgbarkeit und Dokumentation einzuhalten und zu belegen.

Endress+Hauser bietet hierfür schon heute ein umfassendes Angebot an Mess- und Analysentechnik sowie Dienstleistungen für die gesamte H₂-Wertschöpfungskette. Dabei denkt das Unternehmen schon längst einen Schritt weiter. „Wir haben auch die weiteren Prozesse, um die CO₂-Emissionen zu senken, fest im Blick. Dazu gehören zum Beispiel Lösungen für Carbon Capture Storage and Usage (CCUS)“, ergänzt Frederik Effenberg, Industry Manager Decarbonization, Endress+Hauser Deutschland.

Am Anfang steht die Wasserqualität

Unabhängig davon, ob nun die Alkali- oder PEM-Elektrolyse für die Herstellung des Wasserstoffs zum Einsatz kommen: die Vorbereitung des Wassers gemäß spezifischer Qualitätsstandards ist das A und O. Wasser, das nicht den Reinheitsanforderungen entspricht, könnte den reibungslosen Betrieb des Elektrolyseurs beeinträchtigen und damit die Betriebskosten erhöhen. Um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie groß der Aufwand ist, hier ein paar Zahlen: Für die Herstellung von 1 kg Wasserstoff werden 9 kg Reinstwasser benötigt. Da Frischwasser vielerorts knapp ist, wird hierfür häufig Meerwasser eingesetzt. Für ein Kilogramm Wasserstoff müssen etwa 30 kg Meerwasser über eine Umkehrosmose aufbereitet werden. Bereits in diesen Prozessen, die vor der eigentlichen Elektrolyse stehen, werden vielfältige Sensoren nötig, um die Effizienz zu kontrollieren, die Reinigung oder Regeneration auszulösen und die richtige Wasserqualität für die Elektrolyseprozesse zu sichern.

Blick auf den Wirkungsgrad

Im Elektrolyseprozess liegt der Fokus auf der Wasseraufbereitung und somit auf den Parametern Leitfähigkeit und pH-Wert sowie Durchfluss, Druck, Temperatur und Füllstand. Wichtigster Qualitätsparameter ist die Leitfähigkeit: Sie ist im Allgemeinen auf <1 μS/cm für alkalische Elektrolyseure und <0,1 μS/cm für PEM-Elektrolyseure erforderlich. Aus Sicht der Energieeffizienz müssen zudem die Betriebsparameter der Elektrolyseure, wie Stromdichte, Temperatur und Betriebsdruck, fein abgestimmt werden. Gleichzeitig lassen sich damit der Verbrauch an erneuerbarer Energie und die Materialabtragung in den Elektrolyseuren optimieren. Hier liefert die Prozessinstrumentierung wertvolle Echtzeitdaten zu Prozessparametern, z. B:

• Um Überhitzung oder Kavitation zu vermeiden, müssen Temperatur und Druck geregelt werden.

• Um die Trennung von Sauerstoff und Wasserstoff sicherzustellen, werden Gasdurchflussraten optimiert.

• Überwachung und Steuerung der Leitfähigkeit und Reinheit des Elektrolyten.

• Erkennen von Druckabfällen im System, um Verstopfungen oder Leckagen zu identifizieren.

• Vorausschauende Wartung durch eine fortschrittliche Prozessinstrumentierung.

Dies verlangt hochwertige Mess- und Analysengeräte, auf die Verlass ist, und dies über eine lange Betriebsdauer. Hier kommt die patentierte Heartbeat-Technologie von Endress+Hauser ins Spiel, die zahlreiche Diagnose-, Verifizierungs- und Überwachungsfunktionen der Geräte bietet. Zeitnahe, klare und standardisierte Diagnosemeldungen mit leicht umsetzbaren Abhilfemaßnahmen unterstützen dabei den Anwender. Optimierte Kalibrierungs- und Prüftestintervalle durch rückverfolgbare Geräteverifizierung stellen sicher, dass das Messgerät jederzeit ohne Prozessunterbrechung evaluiert werden kann.

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Bewährte alkalische Wasserelektrolyse oder schnelle Lastwechsel mit der PEM-Elektrolyse

Für die Herstellung von grünem Wasserstoff ist derzeit der alkalische Elektrolyseur (AEL) die am häufigsten verwendete Technologie. Das Verfahren ist seit etwa 80 Jahren industriell im Einsatz und zeichnet sich durch Effizienz und Einfachheit aus. Endress+Hauser bietet ein breites Spektrum an Messgeräten zum Überprüfen der Zellen an, wie das Vortex-Durchflussmessgerät Prowirl F 200, die Vibronik-Grenzstanddetektion Liquiphant FTL51B, der digitale Leitfähigkeitssensor Memosens CLS16E oder der Temperatursensor iTHERM Moduline TM131. Damit lassen sich die Betriebsparameter des Elektrolyseurs optimieren.

Neben der AEL-Elektrolyse sind PEM-Elektrolyseure (Proton Exchange Membrane) ebenfalls verbreitet. Die Technologie basiert auf einer festen Polymerelektrolytmembran, die ein kompaktes Design und präzise Steuerung ermöglicht. Damit eignet sie sich besonders für Anwendungen, die Flexibilität und Reaktionsfähigkeit bei der Produktion von grünem Wasserstoff erfordern, sie können also schnell auf Lastwechsel reagieren. Auch hier bietet Endress+Hauser ein breites Portfolio an Messgeräten, wie das Coriolis-Massedurchflussmessgerät Promass F 300 oder den Füllstandsensor Levelflex FMP51 sowie den Drucktransmitter Cerabar PMP51B.

Neue Messgröße für die Stack-Überprüfung

In Zukunft werden jedoch die Hersteller der Elektrolyseure auch Parameter benötigen, um die Funktionsfähigkeit der Stacks selbst zu überwachen. „Dies ist entscheidend, um zum Beispiel die Lebensdauer zu erhöhen oder auch um früher einzugreifen, wenn ein Stack droht auszufallen“, erklärt Hundrieser. „Zwar ist die Leitfähigkeit immer noch der wichtigste Parameter, es gibt aber noch weitere Messgrößen, die hochinteressant sind.“ Hundrieser nennt einige Beispiele:

• Mit der Differenzdruckmessung PMD75B nach dem Stack zwischen der Wasserstoff- und Sauerstoffseite lassen sich die Zellen überwachen und der Status auslesen. Hier bietet Endress+Hauser eine Druckmesszelle mit goldbeschichteter Membran auf der H₂-Seite an, die einen effektiven Schutz gegen die Diffusion der sehr kleinen H₂-Moleküle durch die Membran darstellt. Bei herkömmlichen Membran-Materialien kann diese Diffusion zu Geräteausfällen führen. Auch für die O₂-Seite ist die Druckmesszelle speziell ausgelegt.

• Die Messung des Wasserstoff-Volumenstroms mit dem Prowirl 200: Dieser verfügt über eine Druck- und Temperaturkompensation, um den Massendurchfluss und Normvolumendurchfluss exakt zu berechnen. Eigentlich wird der Sensor in der Dampfmessung eingesetzt, aber es zeigte sich, dass mit der patentieren Sensorauswertung der gasförmige, gesättigte Wasserstoff gemessen werden kann.

• Im PEM-Elektrolyseur rückt derzeit die Messung des TOC in den Blickpunkt, weil sich damit auch eine Abnutzung im Separator frühzeitig erkennen lässt. Hier hat sich zum Beispiel der TOC-Analysator CA78 bereits bewährt.

Die Beispiele zeigen, dass sich fast täglich neue Optionen und Anwendungen für die Mess- und Analysentechnik in der Wasserstofftechnologie eröffnen. „Die Hersteller benötigen ein vorausschauendes Monitoring, um die Lebensdauer eines Stacks zu beurteilen“, so Hundrieser. Hier heißt es offen zu bleiben, denn es ist noch nicht entschieden, ob sich irgendwann große Stacks durchsetzen werden oder doch kleinere Elemente, die modular aufgebaut werden, um mehr Prozesssicherheit zu erhalten. „Und sicher kommen in Zukunft auch Hochtemperatur-Elektrolyseure zum Einsatz. Auch dafür werden wir die nötige Messtechnik liefern“, so Hundrieser.

Überprüfung der erzeugten Wasserstoffqualität

Ist der Wasserstoff produziert, muss dessen Qualität am Elektrolysezellen-Auslass überprüft werden. Hier ermittelt das Sauerstoffanalysegerät OXY5500 zuverlässig und in Echtzeit den Gehalt an Restsauerstoff im Wasserstoff. Das J22 TDLAS-Gasanalysegerät (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) kann darüber hinaus die Spurenfeuchte in Echtzeit messen, was eine Aussage über die Qualität und den Brennwert des Gases zulässt. Die Geräte sind extrem robust, und der Wartungsaufwand ist gering, da es keine beweglichen Teile gibt und keine Verbrauchsmaterialien benötigt werden.

Im Übrigen wird zuverlässige Messtechnik auch im weiteren Verlauf der Wasserstoffkette benötigt. So lässt sich Wasserstoff zum Beispiel über eine vorhandene Erdgasinfrastruktur transportieren. Allerdings ist dafür eine genaue Messung von Durchfluss und Gaszusammensetzung entscheidend, um sowohl das Mengenverhältnis als auch die Qualität der Mischungen zu gewährleisten. „Auch hier spielt die TDLAS-Technologie ihre Stärken aus. Mit dieser ist eine Online-Konzentrationsbestimmung in Echtzeit von spezifischen Molekülen in Gasen im niedrigen ppm-Bereich für die Spurenanalytik möglich“, betont Hundrieser. Pipeline-Betreiber und Lieferanten können damit Qualitätsspezifikationen erfüllen, Korrosion der Pipeline verhindern und die Hydratbildung stoppen.

Ausblick auf eine klimaneutrale Produktion

„Gleichzeitig müssen wir die weitere Nutzung im Auge behalten, und das bedeutet: Wir müssen das gesamte CO₂-Netzwerk betrachten“, richtet Effenberger den Blick auf die sich anschließenden Schlüsseltechnologien für eine CO₂-neutrale Chemieindustrie. „Wir denken schon heute über die weitere Nutzung von grünem Wasserstoff etwa für die Produktion von Ammoniak oder Methanol nach und beziehen dies in unsere Überlegungen mit ein.“ Hier sind Carbon Capture Utilization and Storage (CCUS)-Technologien hochinteressant, die insbesondere für die Öl- und Gasindustrie von entscheidender Bedeutung sind. Dabei wird abgeschiedenes Kohlendioxid entweder z. B. in unterirdischen ehemaligen Gaskavernen gespeichert oder direkt als klimaneutraler Rohstoff zur Herstellung von Chemikalien, synthetischer Kraftstoffe oder als Kohlensäure genutzt. In diesen Prozessen sind zum Beispiel ebenfalls TDLAS-Gasanalysatoren gefragt, um zuverlässig Feuchtigkeits-Verunreinigungen zu messen und dadurch die CO₂-Qualität sicherzustellen.

Ausblick: Damit die Dekarbonisierung in der chemischen Industrie Wirklichkeit wird, müssen unterschiedlichste Technologien kombiniert werden, angefangen beim Einsatz von umweltfreundlichen Rohstoffen wie Wasserstoff bis hin zur Reduzierung des CO₂-Ausstoßes in den Prozessen bzw. dessen wirkungsvoller Speicherung und Weiterverwendung. Ohne eine zuverlässige und hochpräzise Mess- und Analysentechnik ist die Umstellung der Chemieindustrie auf emissionsfreie Technologien nicht möglich. Dies beginnt bei der Messung von Klassikern, wie Leitfähigkeit, Temperatur, Druck, Füllstand und Durchflussspektrum, und endet bei der hochgenauen Analyse der Zusammensetzung von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen. Endress+Hauser bietet dafür schon heute ein breites Produktspektrum, um den Anwender auf seinem Weg in eine klimaneutrale Produktion zu begleiten.

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