gesponsertProzessmesstechnik für die Wasserstoffwirtschaft Wasserstoffqualität in Echtzeit messen – ein Fall für Spezialisten

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Endress+Hauser (Deutschland) GmbH+Co. KG

Bei der Produktion von Wasserstoff muss dessen Reinheit hochgenau gemessen werden. Die Messung erfolgt hierbei indirekt über die Messung seiner Verunreinigung durch Spurenfeuchte und Spurensauerstoff, die lediglich im ppm-Bereich im Medium vorhanden sind – eine herausfordernde Aufgabe für die eingesetzte Prozessmesstechnik.

Wasserstoff gilt als einer der vielversprechendsten sauberen Energieträger der Zukunft und als eines der Schlüsselelemente der Energiewende. Insbesondere gilt diese Aussage für den grünen Wasserstoff, der unter dem Einsatz erneuerbarer Energie beim Prozess der Elektrolyse hergestellt wird. Mit den Elektrolyseuren können die Stromspitzen in Wasserstoff zur weiteren Nutzung umgewandelt, oder aber als
grüner Wasserstoff direkt von den erneuerbaren Energien wie Wasser-, Windkraft und Fotovoltaik erzeugt werden.

AEM-Elektrolyseure mit skalierbarer Kapazität

Das italienisch-deutsche Unternehmen Enapter mit einem Standort im Nordrhein-Westfälischen Saerbeck hat sich auf die Produktion von AEM-Elektrolyseuren (Anion Exchange Membrane , zu Deutsch Anionenaustauschmembran) zur dezentralen Produktion von Wasserstoff spezialisiert. Das Besondere an den sehr kompakten Gerätemodulen ist, dass Anwender im kleinen Maßstab einzelne Geräte mit jeweils einem AEM-Stack betreiben können. Werden hingegen größere Produktionskapazitäten benötigt, werden diese Stacks in Strings aneinandergereiht.

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In Enapters Multi-Core Elektrolyseur AEM Nexus arbeiten bis zu 42 Strings parallel, was eine Kapazität im Megawatt-Bereich ergibt. Somit lassen sich die Systeme flexibel auf die jeweiligen Anforderungen anpassen. Realisierbar sind Anwendungen in Verbindung mit kleinen Photovoltaik-Anlagen im privaten und gewerblichen Bereich, aber auch Kapazitäten im industriellen Maßstab können durch Enapters AEM Nexus abgedeckt werden. Mit den AEM-Elektrolyseuren lässt sich grüner Wasserstoff also perfekt angepasst an die jeweiligen Erzeugungskapazitäten, durch z. B. Wind- oder Solarparks, vor Ort produzieren.

Reinheitsmessung in der Testanlage

Um das Verfahren, das in den AEM-Elektrolyseuren zum Einsatz kommt, zu evaluieren, hat Enapter eine Testanlage zur Wasserstoffproduktion aufgebaut. Einen hohen Stellenwert hat hier der Qualitätsnachweis des produzierten Wasserstoffs. Denn die in verschiedenen Anwendungen geforderte Reinheit von 99,999 Prozent Wasserstoff muss gemessen werden, da Verunreinigungen die Qualität und Leistung des Gases beeinträchtigen können. Insbesondere können Sauerstoff und Restfeuchte die chemische Reaktionsfähigkeit beeinflussen, wenn Wasserstoff als Rohstoff oder Trägergas eingesetzt wird. Verunreinigungen können zu unerwünschten Nebenreaktionen, ineffizienten Prozessen, Schäden an Anlagen und zu Sicherheitsrisiken führen. Durch den Qualitätsnachweis des Gases wird sichergestellt, dass der produzierte Wasserstoff den erforderlichen Spezifikationen entspricht und das bei Enapter eingesetzte Verfahren funktioniert.

Bestimmung von Restfeuchte und Spurensauerstoff

Die geforderten Messgenauigkeiten stellen eine Herausforderung für die eingesetzte Messtechnik dar. Insbesondere die zur Gasanalyse eingesetzten Geräte müssen kleinste Verunreinigungen zuverlässig erfassen können. Hannes Klus, Electrical Engineer bei Enapter, sagt: „Wir produzieren Wasserstoff in Industriegas-Qualität mit einer Reinheit von 99,999 Prozent. Um das zu messen, müssen die Geräte in der Lage sein, Verunreinigungen von nur wenigen ppm zu detektieren.“ Bei der Reinheitsmessung entschied sich Enapter für eine Lösung von Endress+Hauser, da das Unternehmen die Messtechnologien und – für das Projekt ebenfalls von entscheidender Bedeutung – die entsprechenden Kompetenzen für die Erarbeitung der Lösung an Bord hat.

Der Kern der Qualitätsmessung besteht aus einer kombinierten Lösung mit dem J22 TDLAS-Gasanalysegerät und dem Sauerstoffanalysegerät OXY5500 mit gemeinsamer Probenaufbereitung zur Bestimmung der Spurenfeuchte und des Spurensauerstoffs. Klus betont, dass die Qualitätsmessung für eine optimierte Prozesssteuerung sehr schnell, möglichst in Echtzeit durchgeführt werden soll, was mit der eingesetzten Lösung möglich wird. Um die Messung in der geforderten Genauigkeit realisieren zu können, wurde die Lösung zusammen mit dem Endress+Hauser Kompetenzzentrum für Gasanalyse-Lösungen in Lyon, Frankreich, entwickelt und optimal auf Enapters Anforderungen zugeschnitten.

Optimales Zusammenspiel aller Messstellen

In der Testanlage von Enapter sind noch etliche weitere Messstellen für die Parameter Druck, Leitfähigkeit, Temperatur und Durchfluss verbaut. Damit diese optimal mit der eingesetzten Analysemesstechnik und der Automatisierungstechnik zusammenarbeiten, entschied man sich ebenfalls für Geräte von Endress+Hauser. Nicht nur bei den Qualitätsmessungen von Wasserstoff sind die Anforderungen an die Messtechnik hoch, auch für die übrigen Messstellen gelten höchste Qualitätsstandards. So stehen einige der Messgeräte in direktem Kontakt zum Medium Wasserstoff, was sehr spezifische Anforderungen an die Auslegung der Instrumente und die Wahl der Materialien stellt. So ist der Cerabar Drucktransmitter beispielsweise mit einer Goldmembran ausgestattet, damit der Wasserstoff nicht durch diese diffundieren kann und die Membran vor der Spannungsrisskorrosion schützt. Auch bei der Durchflussmessung kommt mit Promass A 300 ein echter Spezialist zum Einsatz. Das Einrohr-Coriolis-Durchflussmessgerät ist in der Lage, kleinste Durchflüsse von Wasserstoff hochgenau und zuverlässig zu messen.

Gemeinsam in Richtung Energiewende

Zusammenfassend sagt Hannes Klus: „Uns war es bei diesem Projekt wichtig, dass wir auf einen Partner setzen, der uns über die Gasanalyse hinaus bei allen Messstellen unterstützt, und diese optimal zusammenspielen. Mit Endress+Hauser haben wir die Sensorik der Anlage im engen Austausch entwickelt und optimiert. Die Ergebnisse sind für uns sehr zufriedenstellend.“

Nachdem Enapter seine Testanlage evaluieren konnte und den Nachweis erbracht hat, dass das eingesetzte Verfahren funktioniert, wird nun der 1-MW-AEM Elektrolyseur mit einer Produktionskapazität bis 450 kg grünem Wasserstoff pro Tag mit der Gasanalyselösung von Endress+Hauser ausgestattet, um hier ebenfalls die Wasserstoffqualität zu messen.

Während die AEM-Elektrolysesysteme noch letzte Tests zu absolvieren haben, startet bereits Enapters Vorserienproduktion. Die Nachfrage nach den Geräten steigt kontinuierlich, und schon heute werden diese von Kunden aus vielen Ländern auf der ganzen Welt eingesetzt. Derzeit werden die Single-Core-Elektrolyseure in Italien gebaut, in Deutschland werden die Multi-Core-Systeme montiert. Mit der Fertigstellung der Produktionsanlage für AEM-Elektrolyseure in Saerbeck wird die Gesamt-Produktionskapazität dann deutlich erweitert. Dann heißt es bei Enapter: Schlüsseltechnologien für die Energiewende – Made in Europe.

Autoren: Antonella Colucci, Product Manager Optical Analysis Endress+Hauser Deutschland, und Florian Milde, Marketing Manager Communication (bis Februar 2024), Endress+Hauser Deutschland

Endress+Hauser ist Hydrogen Innovation Partner der ACHEMA 2024. Treffen Sie die Messtechnik-Experten in Halle 11.1, Stand C27.

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