gesponsertGenauer messen, überwachen und steuern für die Dekarbonisierung Intelligente Automatisierungstechnik für Europas Green Deal

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Emerson Process Management GmbH & Co.OHG

Europa hat sich mit dem Green Deal ehrgeizige Ziele gesetzt. Doch um das Ziel einer klimaneutralen Gesellschaft bis 2050 zu erreichen, gilt es, viele Prozesse zu überdenken. Wichtige Eckpfeiler hierbei sind die Dekarbonisierung von Energiequellen, die Verbesserung der Energieeffizienz, das Management und die Kontrolle von Emissionen und nicht zuletzt die Elektrifizierung von Prozessen und die Etablierung einer globalen Wasserstoffwirtschaft. Dabei wird es mehr denn je darauf ankommen, die Prozesse genauer zu messen, zu überwachen und zu steuern.

Der Umstieg auf eine CO₂-neutrale Produktion, sei es in der Chemie, in Raffinerien oder in der Life Science- und Pharmabranche, ist eine riesige Herausforderung. Gleiches gilt für die Wasserstoffwirtschaft, Power-to-X-Prozesse oder die Lithium-Gewinnung. Obwohl die Branchen höchst unterschiedlich sind, haben sie eins gemeinsam: Ohne eine intelligente Mess- und Automatisierungstechnik wird der Umstieg nicht gelingen. Dabei ist es mit Einzellösungen meist nicht getan. Man benötigt zwar zuverlässige und robuste Messtechnik, um einzelne Parameter genau zu erfassen, aber das Gesamtmanagement ist noch um einiges komplexer.

Hierfür wird eine fortschrittliche Steuerungs- und Regelungstechnik benötigt, um den Prozess näher an den (energieeffizienten) Randbedingungen zu betreiben. Wird dies mit einem systematischen Managementansatz ergänzt, lassen sich Prozesse sogar standortübergreifend energieeffizient betreiben. In der Wasserstoffindustrie werden zudem skalierbare Systeme für eine kürzere, kosteneffektivere, und betriebssichere Markteinführung benötigt. Schließlich ist Zeit einer der kritischsten Faktoren für das Gelingen der Energiewende – bis 2050 bleiben nur noch wenige Jahre, um den Green Deal Realität werden zu lassen.

Dekarbonisierung ist bereits jetzt möglich

Positiv ist, dass es bereits vielfältige Ansätze und Lösungen gibt, um die Energiewende anzugehen. So bietet das Automationsökosystem von Emerson bereits heute ein umfassendes Industrie-4.0-Portfolio.

Dies beginnt bei intelligenten Feldgeräten, reicht über die sichere Datenintegration mit entsprechender Architektur und Netzwerkdesign sowie Plattformen und Software und endet bei Servicemodellen. Ergänzt wird dies durch eine Vielzahl vorkonfigurierter Apps, die aussagekräftige Informationen liefern und zwar als Edge-, On-Premise-Lösung oder in der Cloud. Damit lassen sich Anlagenassets, wie Pumpen, Wärmetauscher oder Kühltürme, überwachen und auf ihre Energieeffizienz überprüfen.

Vorkonfigurierte Analysefunktionen, die von Machine-Learning-Algorithmen und künstlicher Intelligenz unterstützt werden, erlauben überdies einen aussagekräftigen Einblick in den Prozess und in die Anlage. Der Anwender kann also schon heute auf vielfältige Komponenten zurückgreifen, um seine Prozesse energieeffizient zu betreiben. Wie es gelingt, bestehende Anlagen zu dekarbonisieren und dabei gleichzeitig die Kosten zu senken, zeigen die folgenden Beispiele:

• Mit einer genaueren und anlagenweiten Massenbilanz lassen sich in einer mittelgroßen Industrieanlage mit guter Instrumentierung im Schnitt zwei bis acht Millionen Euro pro Jahr einsparen.

• Mehr als 60 Prozent der Treibhausgasemissionen einer Raffinerie stammen aus Verbrennungsprozessen. Neben genauen Messungen des Luft-Brennstoff-Verhältnisses, der Durchflussregelung und der Sauerstoff- und Brennstoffkonzentration im Schornstein kombiniert mit fortschrittlichen Steuerungslösungen lässt sich auch die Austrittstemperatur von Erhitzern stabilisieren. Eine massebasierte Regelung von Brenngas mit Coriolis-Durchflussmessern sorgt im Vergleich zu druck- oder volumenbasierten Regelsystemen für eine stabile Regelung – trotz Schwankungen der Brenngasqualität.

• Die Effizienz von Wärmetauschern wird zu wenig kontrolliert, da fehlende Messpunkte den Einblick in den Prozess erschweren. Dabei machen bereits zwei Prozent Verschmutzungsgrad (Fouling) einen zehnprozentigen Energieverlust des Wärmetauschers aus. Das geht längst besser. Schon heute lassen sich der Gesundheitszustand und die Verschmutzungsrate ermitteln und daraus konkrete Handlungsanweisungen ableiten, damit Wärmetauscher effizienter arbeiten.

• Fünf bis zehn Prozent der gesamten Energiekosten werden durch undichte Kondensatabscheider verursacht, die tausendfach in chemischen Anlagen eingesetzt werden. Der kabellose Rosemount 708 überwacht kontinuierlich die Kondensatabscheidung und trägt so zur Senkung der Energiekosten bei. In vielen Anwendungen amortisiert sich dessen Einsatz im Übrigen innerhalb eines Jahres.

Breites Lösungsspektrum für die Wasserstoffindustrie

Der Weg zur klimaneutralen Industrie umfasst neben der Dekarbonisierung weitere Bereiche – wie die Herstellung und den Einsatz alternativer Kraftstoffe oder Recyclinganwendungen. Besonderes Augenmerk liegt auf dem Thema Wasserstoff. Um die wachsende Nachfrage zu decken, wird derzeit die Produktion von emissionsarmem, im Idealfall grünem Wasserstoff weltweit etabliert. Neben dem Aspekt der Sicherheit stehen in der Wasserstoff-Wertschöpfungskette vor allem der Reinheitsgrad, die Effizienz und Zuverlässigkeit ganz oben auf der Prioritätenliste. Dabei kann die Relevanz der Automatisierungstechnik nicht oft genug betont werden – nur mit ihrer Hilfe sind sichere, wirtschaftliche und umweltfreundliche Lösungen umsetzbar.

Allerdings sind noch einige Herausforderungen zu bewältigen. So stellt sich zum Beispiel bei Elektrolyseuren die Frage, ob man eher mehrere 1- bis 10-MW-Elektrolyseur-Module zu einer schlüsselfertigen 20/50-MW-Lösung integriert oder irgendwann eine 100- bis 200-MW-Anlagen entwirft. Dazu werden skalierbare Automatisierungslösungen benötigt. Zudem sind PEM- und alkalische Elektrolyseure sehr kostenintensiv. Noch werden die ersten Großprojekte staatlich gefördert, allerdings müssen solche Anlagen auch in Zukunft wirtschaftlich arbeiten. Die Automatisierung kann hier eine wesentliche Rolle spielen.

Darüber hinaus gibt es eine ganze Reihe an Anforderungen, die der Anwender erfüllen muss, wie Vorschriften, Protokolle und Normen. Noch komplexer wird es, wenn explosionsgeschützte Umgebungen oder Redundanz- und Sicherheitsstufen bei der Prozesssteuerung berücksichtigt werden müssen. Dazu muss die Reinheit und die Qualität des Gases sichergestellt werden, wenn der Wasserstoff in Netze eingespeist wird.

Projekte in der Wasserstoffindustrie

Emerson besitzt jahrzehntelange Erfahrung mit Wasserstoffprojekten weltweit und stellt für die genannten eine breite Palette an Lösungen für die Wasserstoffindustrie bereit, z. B. für Elektrolyseurhersteller, den Wasserstofftransport und für die Verteilung zum Endverbraucher.

Folgende Beispiele zeigen die Vielseitigkeit der Wasserstoffprojekte:

• Der erste Elektrolyseur eines führenden Chemie-Unternehmens wurde in Norwegen bereits vor mehr als 30 Jahren installiert; die Anlage wurde in zwei Stufen erweitert und arbeitet heute mit vier 2MW Elektrolyseuren. Eine Emerson DeltaV-Steuerung wurde 2014 installiert und steuert seitdem die Elektrolyseure und die Gasseparatoren. Weitere Modernisierungen der Anlage wurden 2021 mit der Migration des alten Sicherheitssystems auf DeltaV SIS und dem System-Upgrade durchgeführt. Die Anlage wird nachts und am Wochenende sogar von Schweden aus ferngesteuert.

• Einem namhaften Chlorhersteller in Antwerpen lieferte Emerson das Leitsystem, die Instrumentierung, wie Druck-, Temperatur- und Durchflussmessungen sowie Ventile für eine Chloralkalielektrolyse. Darin werden neben 550.000 Tonnen Chlor auch 16.000 Tonnen Wasserstoff pro Jahr produziert. Dies entspricht einer 100 MW Wasserelektrolyse.

• Ein Wasserstoffprojekt am Standort von Air Liquide in Bécancour besteht aus vier verschiedenen Einheiten, die die PEM-Technologie (Proton Exchange Membrane) nutzen, um insgesamt 20 Megawatt Strom zu verbrauchen und in Wasserstoff zu verwandeln. Es handelt sich um die größte Anlage dieser Art, die weltweit in Betrieb ist. Konkret ermöglicht der PEM-Elektrolyseur die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Energien. Die Anlage wird zu 99 Prozent mit erneuerbarer Energie von Hydro-Québec betrieben und kann täglich über 8,2 Tonnen kohlenstoffarmen Wasserstoff produzieren.

• HydrogenPro und Mitsubishi arbeiten ebenfalls an der Skalierung und Validierung der Wasserstofftechnologie. Nun soll der weltweit größte alkalische Hochdruck-Elektrolyseur in einem Stack gebaut werden. Für ein Projekt in Utah kommt die Automatisierungsplattform von Emerson für die Steuerung, das Energiemanagement und die Prozesssicherheit der Anlage zum Einsatz, die für alle Projektgrößen skalierbar ist und über eingebettete Flottenmanagementfunktionen und ein Datenanalysetool verfügt. Für die Steuerung wurde Ovation DCS ausgewählt, einschließlich des elektrischen Leistungsmanagements, und der sicherheitsrelevanten Funktionen.

Vom Sensor zum Leit- und Sicherheitssystem

Die Beispiele zeigen, dass nicht nur ein breites Know-how, sondern neben Ventilen, Ventilsystemen, Durchflussmessern, Reglern und Druckmessumformern auch skalierbare Prozesssteuerungs- und Sicherheitslösungen erforderlich sind, um die betriebliche Komplexität zu reduzieren. Ein integriertes Leit- und Sicherheitssystem (Integrated Control and Safety System, ICSS) fungiert dabei als Gehirn für Elektrolyseanlagen und erlaubt zum Beispiel den Betrieb mehrerer großer, miteinander verbundener Elektrolyseure. Wird die Energie direkt aus erneuerbaren Energien wie Windkraftanlagen bereitgestellt, wird die Herausforderung für die Elektrolyse im Übrigen noch größer. Eine schwankende Energieversorgung kann die Prozessstabilität beeinflussen, ein ICSS muss jedoch auch unter diesen Voraussetzungen, eine Anlage effizient und sicher betreiben.

Fazit: Automatisierte Sicherheitsfunktionen und die anlagenweite Transparenz des Prozess- und Maschinenzustands sind der Schlüssel für eine erfolgreiche Energiewende und die grüne Wasserstoffproduktion. Emerson, als globaler Automatisierungsanbieter, bietet ein umfassendes Portfolio an Lösungen für viele dieser Anwendungen. Dabei greift Emerson auf einen breiten Erfahrungsschatz zurück. Dies ist umso entscheidender, da sich die Branche im Aufbruch befindet. Als Ausrüster muss man daher dementsprechend flexibel reagieren. Nur so lässt sich das Ziel einer klimaneutralen Industrie bis 2050 erreichen.

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