Gase und Wasserstoff Wasserstoff-Infrastruktur im Fokus: Wie Elektrolyseure und Brennstoffzellen die Energiewende vorantreiben

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Auf dem Weg zur Dekarbonisierung ist Wasserstoff ein zentraler alternativer Kraftstoff. Weltweit unterstützen Regierungen die Industrie für „H2green“ und Wasserstoff Infrastruktur mit Subventionen, um die Netto-Null-Ziele zu erreichen, was der Branche ein erhebliches Wachstum ermöglicht. In den USA sieht der Inflation Reduction Act (IRA) Steuergutschriften von bis zu 3 Dollar/kg für die Herstellung von grünem Wasserstoff vor.

Grüner Wasserstoff: Schlüsseltechnologie für die Energiespeicherung und nachhaltige Infrastruktur

Während Wasserstoff als Element für die Herstellung von Düngemitteln und für die Entschwefelung bei der Erdölraffination verwendet werden kann, liegt sein Wert für die grüne Energiezukunft in der Fähigkeit, Energie zu speichern. Die Erzeugung erneuerbarer Energien wie Solar- und Windenergie ist aufgrund der unregelmäßigen Verfügbarkeit und des Mangels an einer entwickelten Speicherinfrastruktur unbeständig. Dies wiederum kann die Stabilität des Stromnetzes beeinträchtigen. Mit dem dreifachen Energiegehalt von Benzin kann Wasserstoff dazu verwendet werden, Energie aus erneuerbaren Quellen außerhalb des Netzes zu speichern und nach Bedarf abzugeben.

Unternehmen der gesamten H2-Wertschöpfungskette arbeiten daran, die grüne Wasserstoffzukunft Wirklichkeit werden zu lassen, wobei viele Projekte bereits laufen oder in Planung sind. Zu den Komponenten, die den Ausbau der Wasserstoff Infrastruktur voranbringen, gehören Elektrolyseure zur Erzeugung von Wasserstoff, Tankstellen zur Verteilung sowie Brennstoffzellen zur Umwandlung des Wasserstoffs in Elektroenergie. So lässt sich Wasserstoff als Kraftstoff für stationäre Stromerzeuger und Fahrzeuge oder als Heiz- und Brennstoff nutzen.

Auf seinem Weg durch die Wertschöpfungskette ist der Wasserstoff Drücken von bis zu 15.000 psi (1000+ bar) ausgesetzt und kann bei unsachgemäßer Handhabung explosiv sein. Um die Nachfrage sicher befriedigen zu können, müssen Technologien entwickelt werden, die eine zuverlässige und effiziente Beherrschung des Wasserstoffs von der Erzeugung bis zum Endverbraucher ermöglichen. Hierzu gehören Hochdrucklösungen für das gesamte Wasserstoff-Ökosystem.

Wasserstoff Infrastruktur: Erzeugung durch Elektrolyse

Grüner Wasserstoff wird durch alkalische Elektrolyse oder Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse (PEM) erzeugt, gespeist aus erneuerbaren Energiequellen. Bei beiden Verfahren trennt ein Elektrolyseur mittels elektrischer Energie die Wassermoleküle in ihre Grundelemente Sauerstoff und Wasserstoff. Nach seiner Gewinnung kann der Wasserstoff gespeichert, transportiert und verteilt werden.

Für den effektiven, sicheren Betrieb eines Elektrolyseurs muss der Durchfluss von Wasser, Wasserstoff und Sauerstoff präzise geregelt werden. Zuverlässige Ventile, Gegendruckregler und eine intelligente speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) können die Medien auf hohem Niveau steuern, Leckagen verhindern, Wartungszeiten und -kosten minimieren und die Anlage insgesamt schützen.

In einem Elektrolyseur bilden vier Ebenen das Steuerungsökosystem, um die Medien effizient, zuverlässig und sicher zu beherrschen. Die erste Ebene beinhaltet alle Ventile, die den Durchfluss der Medien – Sauerstoff, Wasser oder Wasserstoff – regeln, sowie Gegendruckregler und pneumatische Absperrventile. Die zweite Ebene ist die Betätigungsebene, die Ventilinseln und Pilotventile umfasst. Beide Komponenten haben die gleiche Funktion: die Betätigung der pneumatischen Absperrventile zur Steuerung der Prozessmedien. Für sie ist die Schutzart IP66 erforderlich, während die Pneumatikventile diese Schutzart nicht benötigen. Die dritte Ebene ist die SPS, die vierte schließlich das SCADA-System (Supervisory Control and Data Acquisition). Die SPS verfügt über den Regelalgorithmus und führt die gewünschte Logik aus, indem sie elektrische Signale an die Pilotventile zur Steuerung der Prozessmedien sendet. Sicherheitszertifizierte SPS sorgen dafür, dass eine Anlage bei gefährlichen Ereignissen wie ein Gasleck oder Brand kontrolliert abgeschaltet wird. Darüber hinaus erfasst das SCADA-System alle Anlagendaten und bietet Bedienern und Technikern Anzeigen zu Trends, Analysen, Alarmen sowie Benachrichtigungen und ermöglicht über Bedienfelder oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) die Steuerung und Überwachung des Anlagenprozesses.

Wasserstoff Infrastruktur: Vertrieb über Wasserstofftankstellen

In Wasserstofftankstellen wird der Wasserstoff entweder als komprimiertes Gas oder als Flüssigkeit in einem Drucktank gespeichert. Betätigt ein Kunde die Zapfsäule, wird der Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher entnommen und fließt durch das System in den Fahrzeugtank mit niedrigerem Druck. Während des Tankens wird der Druck des Wasserstoffs langsam erhöht, da der Druck im Fahrzeugtank bis zum Erreichen des maximalen Füllstands ansteigt. Zugleich muss der Kraftstoff in einer bestimmten Menge und Geschwindigkeit abgegeben werden, damit Überhitzung oder Überdruck im Fahrzeugtank vermieden wird. Um den Wasserstofffluss zu steuern und einen sicheren, präzisen und schnellen Betrieb der Zapfsäule zu gewährleisten, wirken viele Geräte und Komponenten zusammen.

Ein Druckregler mit einem pneumatischen PID-Regler stimmt zum Beispiel den Druck des Wasserstoffs exakt ab. Die Geschwindigkeit der Drucksteigerung, die sogenannte Druckrampe, hängt vom Betankungsprotokoll ab, das an der Tankstelle verwendet wird. Das auf der MC-Formel basierende Betankungsprotokoll der SAE J2601 beispielsweise passt die Druckrampe entsprechend den Betriebsbedingungen der Anlage an – der Temperatur des Fahrzeugtanks, des Puffertanks und des fließenden Wasserstoffs.

Sicherheitsventile und SPS-Technologie für Wasserstofftankstellen

Doppelabsperr- und Entlüftungsventile bieten doppelten Schutz beim Absperren des Prozessdrucks bei Wartungsarbeiten an der Instrumentierung. Zugleich verhindert die starke Abdichtung, dass Kraftstoff in die Atmosphäre entweicht. Wenn Wasserstoff austritt und auf ein Oxidationsmittel und eine Zündquelle trifft, kann er in Flammen aufgehen.

Eine SPS enthält den Algorithmus zur Steuerung des gesamten Prozesses der Tankstelle. Sie erfasst Informationen zum Tanken wie den Füllstand und führt die erforderlichen Befehle aus, um den gewünschten Füllstand zu erreichen. Sie kann mehrere Betankungsvorgänge gleichzeitig ausführen, die Wasserstoffabgabe aus dem Haupttank steuern und über die Cloud oder ein kabelgebundenes Netzwerk mit der Leitwarte kommunizieren. Die SPS bietet auch die Möglichkeit, Änderungen des Wasserstoffbestands sowie abrechnungsrelevante Informationen zu verwalten, Tagesberichte zu erstellen und vieles mehr. Eine Sicherheits-SPS sorgt dafür, dass gefährliche Vorkommnisse an Tankstellen sicher beherrscht werden.

Umbau für Wasserstoffanwendungen

Brennstoffzellen erzeugen elektrischen Strom, indem sie die Energie nutzen, die bei der elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff freigesetzt wird. Sie können für die stationäre Stromversorgung als Reserve-Energiequelle oder für Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge verwendet werden. Bei diesen Anwendungen geben Hochdruck-Wasserstoffspeicher bei Energiebedarf Wasserstoff an das Brennstoffzellensystem ab. 

Bei der Entwicklung eines solchen Systems spielt die optimale Nutzung des Brennstoffs eine wesentliche Rolle. Die Wasserstofftanks dürfen aufgrund von Druckbegrenzungen nicht leer gefahren werden, da eine effiziente Zufuhr zum Brennstoffzellen-Stack mit minimalen Verlusten unerlässlich ist. Das System muss unter den unterschiedlichen Anforderungen an den Wasserstofffluss beim Beschleunigen, Verzögern, Anhalten sowie im Leerlauf verlässlich arbeiten. Der stabile Systembetrieb wird durch eine Hochdruck-Kraftstoffabschaltung und einen verlässlichen Wasserstoffregler unterstützt.

Wasserstoffregler mit zweistufigen Ventilen sorgen für einen gleichmäßigen Wasserstofffluss zum Brennstoffzellen-Stack und minimieren die Gefahr von Wasserstofflecks, sodass der Strom für Fahrzeuge oder stationäre Aggregate effektiv erzeugt werden kann. Eine gleichmäßige Kraftstoffzufuhr trägt dazu bei, die Lebensdauer der Brennstoffzellen zu verlängern. Fahrer H2-betriebener Fahrzeuge können so den Kraftstoffverbrauch optimieren und die Wartungshäufigkeit reduzieren.

Wasserstoff Infrastruktur: Die nächsten Schritte einleiten

Die Zukunft des grünen Wasserstoffs hängt vom Erfolg der einzelnen Komponenten des Ökosystems ab. Von der Erzeugung über den Vertrieb bis hin zur Umwandlung können Hochdrucklösungen den Wasserstoff und andere Medien sicher und effizient durch die Wertschöpfungskette bringen. Mit Steuerungen auf hohem Niveau können Hersteller von Brennstoffzellensystemen kritische Infrastrukturen sicher installieren und ausbauen, sodass die Endnutzer bei der Einführung der neuen Wasserstofftechnologien positive Erfahrungen sammeln werden. Auf dieser lässt sich die weltweite Nutzung von grünem Wasserstoff und die zukunftsweisende Entwicklung der Wasserstoffenergie beschleunigen.