Wasserstoff+Brennstoffzelle: Bauteile zur Energiegewinnung
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Die Zukunft der Energieversorgung liegt in Erneuerbaren Energien. Die Technologien Wasserstoff-Brennstoffzellen bzw. -Elektrolyseure sind vielversprechende Kandidaten für die Energieträger der Zukunft, wenn sie denn "grün" sind. Der Automationsexperte Pepperl+Fuchs bietet auf Basis seines umfassenden und langjährigen Know-hows Produkte für die gesamte Wasserstoff-Wertschöfungskette. Erfahren Sie nachfolgend, wo wir stehen beim Grünen Wasserstoff und welche Produkte die Entwicklung voranbringen.
Inhalt
- Gehäuse für die Messtechnik in der Wasserstoff Erzeugung
- Wasserstoff als Krisenretter
- Energieversorgung im Umbruch
- Grüner Wasserstoff ist der Joker
- Sensorik für die Wasserstoff Wertschöpfungskette
- Häufige Fragen
Gehäuse für die Messtechnik in der Wasserstoff Erzeugung
11.10.2013 | Die umfassende energetische Transformation stellt an alle Beteiligten in der Erzeugungskette erhöhte Anforderungen – vom grünen Strom über die Wasserstoffproduktion bis zur Herstellung diverser Derivate einschließlich aller Transportschritte zwischen den Stationen.
Von Windkrafträdern und -parks werden bessere netzdienliche Funktionen erwartet. Dazu benötigen die Steuerungen Daten, die wiederum Sensoren von Pepperl+Fuchs liefern. Die Sensoren können die Stellungen von Blatt und Gondel sowie Drehzahlen und Schwingungen präzise detektieren.
Wird aus regenerativ erzeugtem Strom mit Elektrolyseuren Wasserstoff produziert, muss der Druck an die verschiedenen, weiteren Transport- und Verarbeitungsschritte angpasst werden. Das wirft auch Fragen rund um den Explosionsschutz auf.
Für diesen Explosionsschutz bietet Pepperl+Fuchs eine spezielle Gehäusetechnik für entsprechende Ex-Zonen und Schaltschrank-Module zur Signaltrennung und Weiterverarbeitung.
Einsatz finden diese in Druckmess- und Druckregelanlagen. Es werden auch spezielle Lösungen im Bereich „Purge“ angeboten. Diese gestatten den Einsatz nicht explosionsgeschützter Messgeräte. Last but not least erleichtern Ex-geschützte Tablets und Smartphones die Kommunikationstechnik in explosionsgefährdeten Bereiche.
Wasserstoff als Krisenretter
Vor über einem Jahr galt Wasserstoff (H 2) noch als entscheidender Bestandteil bei der Dekarbonisierung von Industrie und Verkehr. Doch mittlerweile haben wir nicht nur mit der Klimakrise zu kämpfen, sondern auch mit einer Energiekrise, die den Ausbau von grünem Wasserstoff als Energieträger für elektrische Energie vorantreiben könnte, um den Strom und Wärme Bedarf sicherzustellen. Das Problem liegt hierbei weniger in den Konzepten und dem technischen Know-how, sondern vor allem in der zeitnahen Umsetzung.
IO-Modul sichert Wasserstoff-Tankstellen von Resato
Auf der ganzen Welt wurden bereits große Wasserstoff-Projekte angekündigt, von Kanada über Deutschland bis Japan. Doch um Grünen Wasserstoff zu erzeugen, müssen wir zunächst die erneuerbare Energieerzeugung ausbauen. Hierbei spielen Offshore-Windkraftanlagen eine entscheidende Rolle, indem sie den benötigten grünen Strom liefern.
Grüner Wasserstoff – Chance oder Risiko für Fabrikautomatisierer?
09.02.2023 | Für Sensorhersteller und Fabrikautomatisierer ergeben sich mit dem klar prognostizierten starken Wachstum im Bereich der Windkraft für die nächsten 20 Jahre hervorragende Chancen. Diese werden noch potenziert dadurch, dass für Speicherung, Transport und für die Herstellung all dieser Anlagen das Gleiche gilt. Wolfgang Weber, Global Industry Manager bei Pepperl+Fuchs, referiert im nachfolgenden Video zum Thema auf den Fachpressetagen des RBS Stutensee in Karlsruhe.
Energieversorgung im Umbruch
Die elektrische Energie-Versorgung steht vor einem grundlegenden Umbruch, bei dem alle bekannten Verfahren auf dem Prüfstand stehen. Die Atomenergie, die in den 60er und 70er Jahren uneingeschränkte Verfügbarkeit versprach, geriet aus verschiedenen Gründen in Verruf und wird heute nur noch in einigen Ländern in Betracht gezogen.
Auch die Wasserkraft ist nur begrenzt ausbaubar, da sie immense Auswirkungen auf die Landschaft hat und Konsequenzen für Flora und Fauna nach sich zieht. Die Biomasse ist wiederum stark umstritten, weil sie mit der Lebensmittelerzeugung konkurriert und ebenfalls an ihre Grenzen stößt.
Grundlegende Betrachtungen zur Energiewende
Bisher waren fossile Stoffe wie Öl, Erdgas und Kohle die bevorzugten Energieträger. Entgegen früheren Prognosen sind sie jedoch weiterhin nahezu unbegrenzt verfügbar, kostengünstig und es gibt vielseitige Einsatzmöglichkeiten des fossilen Brennstoffes. Sie dienen nicht nur der Energieerzeugung, sondern auch als Basis-Stoffe für Chemie, Pharmazie und viele andere Bereiche.
In den letzten zwei Jahrzehnten haben sich im Bereich der Stromerzeugung zwei Vertreter erneuerbarer Energien besonders hervorgetan. Hierbei denkt man zunächst an Wind und Sonne, da diese Energiequellen scheinbar kostenlos zur Verfügung stehen.
In Deutschland gehen wir davon aus, dass sich der Strombedarf in den nächsten 20 Jahren verdoppeln wird. Derzeit decken wir aber nur knapp die Hälfte unseres derzeitigen Strombedarfs über regenerative Quellen ab. Also müssen wir die Stromerzeugung vervierfachen. In der Tat haben in diesem Zeitraum erstaunliche Entwicklungen stattgefunden – sowohl in Bezug auf die Größenordnung als auch auf die Kosten. Windkraftanlagen mit einer Kapazität von bis zu 18 MW pro Einheit werden heute offshore installiert, was in den 1980er Jahren noch undenkbar war. Die Vorstellung, dass Photovoltaikanlagen in sonnenreichen Gebieten Strom zu Kosten von weniger als 1 Cent pro kWh erzeugen würden, galt bestenfalls als utopisch.
Probleme gelöst? Mitnichten!
Bedeutet dies nun, dass alle Probleme gelöst sind? Keineswegs, denn fundamentale Herausforderungen wurden leider lange Zeit fahrlässig unterschätzt. Deutschland gehört zu den Ländern, die jederzeit über eine zuverlässige Stromversorgung verfügen können. Dies ist keineswegs selbstverständlich, selbst in hochentwickelten Staaten nicht.
Bei der Planung des Stromversorgungssystems ging es immer darum, den absoluten Spitzenbedarf in jedem Fall abdecken zu können, selbst wenn er nur eine Stunde im Jahr auftritt. Die stilisierte Graphik (rechts) verdeutlicht die Problematik. Wind und Sonne liefern entweder zu viel oder zu wenig Energie. Beides verursacht Probleme, weil entweder abgeregelt werden muss oder Reservekraftwerke Energie bereitstellen müssen. Beide Szenarien sind aber unwirtschaftlich. Das Ziel muss es daher sein, die zwei Situationen so weit wie möglich zu minimieren.
Die Stromerzeugung richtet sich also nicht nur nach dem zeitlichen, sondern auch nach dem räumlichen Bedarf. Daher war es sinnvoll, große Kraftwerke in der Nähe großer Verbraucher wie bevölkerungsreiche Metropolen oder Industriestandorte zu bauen.
Mit den Energiequellen Sonne und Wind werden diese Voraussetzungen jedoch nicht mehr erfüllt. Die Positionierung von Windkraftanlagen hängt von verfügbaren Flächen und auch vom Windangebot ab. Die Installation von PV-Modulen hingegen ist stark von der individuellen Investitionsbereitschaft von Privatpersonen abhängig. Die Energieerzeugung dieser Anlagen wiederum unterliegt den Witterungsbedingungen.
Über viele Jahre hinweg hat sich Deutschland den Luxus einer doppelten Energieversorgung geleistet, um die beschriebenen Probleme auszugleichen. Auch wenn behauptet wird, dass wir bereits 46 % unseres Stroms regenerativ erzeugen, beträgt dieser Anteil an bestimmten Tagen im Jahr kaum mehr als 20 %. Je stärker wir die konventionellen Kraftwerke reduzieren, desto mehr geraten wir in eine Situation, die nicht mehr beherrschbar ist.
Energie speichern als Herausforderung
Um das Verhältnis zwischen Angebot und Nachfrage auszugleichen, ist es erforderlich, sowohl kurzfristig als auch saisonal Maßnahmen zu ergreifen. Es ist offensichtlich, dass im Winter mehr Energie benötigt wird als im Sommer. Daher muss eine Lösung gefunden werden, die Energie über beliebige Zeiträume speichern, einfach transportieren und vielseitig einsetzen kann, einschließlich der Möglichkeit zur Rückverstromung. Als Lieferant von elektronischen Bauteilen und Sensoren interessiert Pepperl+Fuchs zunächst die Steuerung solcher Prozesse. Es geht darum, dass Windkraftanlagen zunehmend netzdienliche Funktionen übernehmen müssen und auf Anforderungen aus dem Netz reagieren können.
Lesetipp: Messtechnik für die Wasserstoff Herstellung
Betrachten wir Deutschland als Referenz, wo etwa 20 % des Gesamtenergiebedarfs des Landes durch Elektrizität gedeckt werden, während der weitaus größere Teil hauptsächlich durch Öl, Gas und Kohle versorgt wird. Dazu gehören der Verkehrssektor, der Wärmemarkt sowie die Industrie, insbesondere im Bereich Stahl, Chemie, Zement, Glas und andere. Obwohl es durchaus Möglichkeiten gibt, einen gewissen Anteil davon "zu elektrifizieren", wird die Zukunft zeigen, wie weit das möglich ist. Denn es hängt letztendlich von den Kosten und der Verfügbarkeit ab.
Grüner Wasserstoff ist der Joker
Wasserstoff ist der Joker in diesem Spiel, darüber herrscht heutzutage weltweit Einigkeit. Als Speichermedium kann Wasserstoff die unregelmäßigen Schwankungen von Wind- und Sonnenenergie ausgleichen und als Grundstoff mit seinen bekannten Derivaten die fossilen Brennstoffe in allen Anwendungen ersetzen.
Der heute verwendete Wasserstoff wird aus Gas unter Freisetzung von CO2 gewonnen. Wenn man von dem Verfahren des Carbon Capture and Storage (CCS) als Alternative absieht, dann ist der sogenannte Grüne Wasserstoff das Mittel der Wahl.
Damit Wasserstoff künftig den fossilen Brennstoff in der Praxis ersetzt, sind weitere detaillierte Schritte erforderlich und es werden enorme Mengen an Grünem Wasserstoff benötigt. Wasserstoff wird durch eine elektrolytische Spaltung von Wasser mithilfe elektrischen Stroms erzeugt, wobei Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Dieser Prozess findet in einem Elektrolyseur statt, während die Umkehrung in der Brennstoffzelle erfolgt. Dort dient Wasserstoff als Treibstoff und in Verbindung mit Sauerstoff wird Strom erzeugt. Das "Abfallprodukt" ist Wasser.
Der Rohstoff Wasser ist auf unserem Planeten in Form der Meere praktisch unbegrenzt verfügbar. Allerdings muss Strom erzeugt werden, um den Wasserstoff herzustellen. Gelingt das klimaneutral, kann die Umgestaltung unserer Energieversorgung dazu beitragen, das Gleichgewicht zwischen CO2-Erzeugung und -Absorption wiederherzustellen und die weitere Erwärmung der Atmosphäre zu stoppen.
Sensorik für die Wasserstoff Wertschöpfungskette
Das erste Element des Periodensystems ist ein Schlüsselfaktor für die Dekarbonisierung von Wirtschaft und Verkehr, allerdings nur bei grünem Wasserstoff, für den das Gas ohne CO2 Ausstoß gewonnen wurde. Die Wertschöpfungskette vom Windrad bis zur Wasserstoff Tankstelle steckt dabei voller technischer Herausforderungen.
Die angestrebte Dekarbonisierung wird vor allem die Art verändern, wie wir Energie erzeugen, speichern, verteilen und verbrauchen. Der Grüne Wasserstoff wird eine Schlüsselrolle in der künftigen Energieerzeugung und Dekarbonisierung von Industrie und Schwerlastverkehr spielen. Viele Sensoren verschiedenster Funktionen sowie explosionsgeschützte Komponenten werden zur Sicherung der automatisierten Prozesse benötigt.
Pepperl+Fuchs hat eine langjährige Erfahrung auf dem Gebiet des Explosionsschutzes und der industriellen Sensorik. Als Experte für funktionale Sicherheit, der kompatible Komponenten entlang der Wasserstoff-Wertschöpfungskette liefert, ist das Unternehmen der richtige Partner und ein verbindendes Element in der Wasserstoffkette – von regenerativer Energiegewinnung, Hochdruckverdichtung nach Elektrolyse, Transport, Speicherung bis hin zu großflächigen Industrieeinsatz und Wasserstoff Tankstelle. Nachfolgend stellen wir Ihnen ein paar Produkte und Anwendungen vor:
Ultraschallsensoren zur Herstellung von Bipolarplatten
04.07.2023 | In naher Zukunft werden die Einsatzfähigkeit und der Preis von Wasserstoff und seinen Derivaten maßgeblich von der Verfügbarkeit abhängen. Dafür spielen der Strompreis bei der Herstellung sowie die Anschaffungskosten der Anlagen eine entscheidende Rolle.
Obwohl Elektrolyseure und Brennstoffzellen sich technologisch ähnlich sind, haben sie unterschiedliche Anwendungsbereiche. Elektrolyseure zeichnen sich durch ihr Alleinstellungsmerkmal bei der Erzeugung von grünem Wasserstoff aus, während Brennstoffzellen mit anderen Verfahren konkurrieren. Insbesondere punkten Wasserstoffautos im Schwerlastverkehr im Vergleich zu batteriebetriebenen Elektromotoren, aber auch die Alternative zur E-Mobilität wird nach wie vor thematisiert.
In beiden Fällen gilt es jedoch, die Produktionsstückzahlen signifikant zu steigern, um den wachsenden Bedarf zu decken und die Kosten nachhaltig zu senken. Die Industrialisierung und Automatisierung der Fertigung spielt dabei eine zentrale Rolle. Schlüsselkomponenten sind die Bipolarplatten (BPP) und die Membran-Elektroden-Einheit (MEA). Die MEA kann in 3-, 5- und 7-Lagen-Konfigurationen hergestellt werden und erfordert die Aufbringung von katalytischen Schichten für elektrolytische Prozesse.
Forschungsprojekt Referenzfabrik H2
Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz hat das Projekt Referenzfabrik H2 gestartet, das sich auf die Optimierung der Fertigung dieser Komponenten konzentriert. Sie untersuchen, erproben und optimieren Verfahren von der Herstellung der Bipolarplatten über die Funktion von Dichtungen bis zum Zusammenbau des gesamten Stacks.
In ersten praktischen Anwendungen hat sich gezeigt, dass die Überprüfung auf mögliche Doppellagen ein wichtiges Kriterium sein kann. Die Ultraschall-Sensorik hat sich dabei als zuverlässige Sensortechnologie bewährt. Ultraschallsensoren können präzise Abstände im Zehntel-Millimeter-Bereich messen und Mehrfachlagen sowie Risse erkennen.
Ein großer Vorteil von Ultraschall liegt in seiner Unabhängigkeit von Materialeigenschaften wie Farbe, Oberflächenglanz oder Transparenz. Dies bietet insbesondere bei metallischen und lichtdurchlässigen Materialien erhebliche Vorteile.
Die F77-Sensor-Serie von Pepperl+Fuchs ermöglicht präzise Höhenmessungen im Bereich von 0,2 mm. Mithilfe der UDC-Doppelbogenkontrollen können Mehrfachlagen erkannt werden, indem sie Grenzschichten und den Übergang zu einem Luftspalt detektieren. Des Weiteren können die zugeführten Komponenten einfach auf Anwesenheit oder Position überprüft werden.
Diese fortschrittlichen Ultraschallsensoren verfügen über eine standardisierte IO-Link-Schnittstelle, über die Einstellungen vorgenommen und Zustandsdaten abgefragt werden können. Mit den verfügbaren Schnittstellenmodulen (Master) können die Daten über OPC UA an andere Einheiten der IT-Infrastruktur übertragen werden. Dadurch sind alle Voraussetzungen für eine Industrie-4.0 konforme Architektur erfüllt.
Komponenten für die sichere Grüne Energiegewinnung
12.09.2022 | Die Gewinnung von grünem Wasserstoff aus erneuerbaren Energien ist also entscheidend für seine industrielle Nutzung.
Um beispielsweise die Windenergie optimal zu nutzen, müssen die Rotorblätter den richtigen Neigungswinkel aufweisen. Bei starkem Wind müssen die Anlagen in eine Schutzposition gebracht werden, um eine mögliche Überlastung zu vermeiden. Pepperl+Fuchs liefert die erforderlichen Werte durch Einsatz von Drehgebern sowie Schwingungs- und Beschleunigungssensoren. Überspannungsschutzmodule sind erforderlich, um die Steuerungstechnik und Signalübertragung vor Blitzeinschlägen abzusichern.
Durch diese Maßnahmen können wir die Energiegewinnung aus Windkraft effizient nutzen und somit die Erzeugung von grünem Wasserstoff vorantreiben. Dies ist ein entscheidender Schritt, um unsere Energieversorgung nachhaltiger und umweltfreundlicher zu gestalten.
Grüner Strom wird in Wasserstoff umgewandelt, transportiert und zwischengespeichert, um seinen Bestimmungsort zu erreichen. Wasserstoff wird entweder per Gastanker, per LKW oder durch Pipelines transportiert. Der Transport birgt technische Herausforderungen aufgrund seiner explosiven Eigenschaften. Pepperl+Fuchs bietet eine breite Palette an Verbindungskomponenten für den Explosionsschutz. Verschiedene Interfacemodule und Klemmenkästen der SR-Serie gewährleisten eine sichere Signalübertragung in der Gasdruckregelmessanlage. Zur Wasserstoffanalyse werden Überdruckkapselungssysteme der Serie 6000 eingesetzt.
Ventile regeln den Gasstrom in den Rohren und Pipelines. Für eine sichere Ventilstellungsrückmeldung im explosionsgefährdeten Außenbereich sorgen unter anderem die induktiven Doppelsensoren F31K2. Die eigensicheren Mobilgeräte und Smart Glasses der Marke Ecom von Pepperl+Fuchs liefern Echtzeitinformationen an mobile Arbeitskräfte und Anlagenbetreiber bei Instandhaltungsarbeiten an Ventilen.
Schwingungssensor und Beschleunigungssensor in Windkraftanlage
02.03.2023 | Man stelle sich vor, dass eine moderne Windkraftanlage eine Turmhöhe von 130 m hat und die zu tragende Masse von Maschinenhaus und Gondel 400 bis 600 t beträgt. Die unterschiedlichen Windlasten belasten mechanisch enorm die Konstruktion. Schwingungssensoren werden im Turm, in der Gondel, in der Rotornabe und den Rotorblättern eingesetzt. Inertialmesssysteme erfasst diese Lasten in Echtzeit.
Häufige Fragen
Wie funktioniert die Brennstoffzelle?
Eine Brennstoffzelle ist ein Energiewandler, der chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandelt. Sie funktioniert ähnlich wie eine Batterie, wird jedoch kontinuierlich mit Brennstoff (z. B. Wasserstoff) und einem Oxidationsmittel (z. B. Sauerstoff aus der Luft) versorgt. Eine Brennstoffzelle nutzt die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff, um elektrische Energie zu erzeugen, wobei Wasser das einzige Abfallprodukt ist. Kurz gesagt: Wasserstoff+Sauerstoff=Brennstoffzelle.
Wie macht eine Brennstoffzelle Strom?
Eine Brennstoffzelle erzeugt Strom durch eine elektrochemische Reaktion: An der Anode (dem negativen Pol) wird Wasserstoff durch einen Katalysator in Protonen und Elektronen gespalten. Die Elektronen fließen durch einen externen Schaltkreis zur Kathode (dem positiven Pol), wodurch elektrischer Strom erzeugt wird. An der Kathode reagieren die Elektronen mit Sauerstoff und den von der Anode kommenden Protonen, um Wasser zu bilden. Das Ergebnis ist die Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie.
Ist Wasserstoff und Brennstoffzelle das Gleiche?
Nein, Wasserstoff und Brennstoffzelle sind nicht das Gleiche. Wasserstoff ist ein chemisches Element und ein möglicher Brennstoff. Eine Brennstoffzelle ist ein Gerät, das einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel wie Sauerstoff verwendet, um elektrische Energie zu erzeugen. Wasserstoff kann als Brennstoff in einer Brennstoffzelle genutzt werden.
Welche Vor- und Nachteile hat eine Brennstoffzelle?
Brennstoffzellen bieten eine effiziente und emissionsarme Energieerzeugung, allerdings mit Herausforderungen in Bezug auf Kosten, Infrastruktur und Haltbarkeit.
Vorteile einer Brennstoffzelle:
- Emissionsarm: Bei Verwendung von Wasserstoff produziert eine Brennstoffzelle nur Wasser als Abfallprodukt.
- Hohe Effizienz: Brennstoffzellen können einen höheren Wirkungsgrad als konventionelle Verbrennungsmotoren aufweisen.
- Kontinuierliche Energieerzeugung: Solange Brennstoff und Oxidationsmittel zugeführt werden, erzeugt die Zelle kontinuierlich Strom.
- Geräuscharmer Betrieb: Brennstoffzellen arbeiten leise im Vergleich zu Verbrennungsmotoren.
Nachteile einer Brennstoffzelle:
- Kosten: Aktuelle Technologien sind oft teuer, besonders bei Verwendung von Edelmetall-Katalysatoren.
- Wasserstoffinfrastruktur: Die Verfügbarkeit und Verteilung von Wasserstoff kann limitiert sein.
- Lagerung und Transport: Wasserstoff benötigt spezielle Lager- und Transportbedingungen aufgrund seiner geringen Dichte und seiner Reaktivität.
- Lebensdauer: Die Lebensdauer und Langlebigkeit einiger Brennstoffzellentypen kann begrenzt sein.
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Wolfgang Weber ist Global Industry Manager für Erneuerbare Energien bei Pepperl+Fuchs.