Messtechnik sichert Qualität bei Wasserstoff Herstellung

MESSTECHNIK

Details: Veröffentlicht: 05.03.2024; Zuletzt aktualisiert: 15.10.2024; Zugriffe: 2224

Das Hochfahren der globalen Wasserstoffwirtschaft ist im vollen Gange und ein wichtiger Bestandteil der Energiewende. Jumo möchte an dieser Entwicklung teilhaben und positioniert sich mit seiner Messtechnik als System- und Lösungsanbieter für die Wasserstoff Herstellung. Druck- und Temperatur sensoren, Leitfähigkeitssensoren oder Druckmessumformer sichern hier die Qualität.

Jumo Wasserstoff Herstellung

Inhalt

Aktueller Stand der globalen Wasserstoffwirtschaft
- Gründe für den Einsatz von sauberen Wasserstoff
Technische Anforderungen in der Wasserstoff Herstellung
- Reinstwasser-Überwachung im Elektrolyseur
- Messtechnik für die Wasserstoffherstellung
Wasserstoff und die Zukunft
- Mögliche Anwendungsgebiete für H 2
Häufig gestellte Fragen

Aktueller Stand der globalen Wasserstoffwirtschaft

Mit der Zielsetzung des europäischen Green Deals hat sich die EU-Kommission die Maßgabe gesetzt, bis zum Jahr 2050 keine Netto-Treibhausgase mehr auszustoßen. Damit soll Europa der erste klimaneutrale Kontinent auf der Erde werden. Auch in Kanada, den USA und im asiatisch-pazifischen Raum gibt es große Bemühungen, den Übergang zu einer ressourceneffizienten, wettbewerbsfähigen und modernen Ökonomie einzuleiten.

Der Ausbau der Erneuerbaren Energien steht in direktem Zusammenhang mit dem Hochfahren der H2 Wirtschaft. Zur Produktion von Grünem Wasserstoff muss der dafür benötigte Strom aus Erneuerbaren Energiequellen stammen. Zweifelsfrei werden dafür Brückentechnologien zur Erzeugung von Wasserstoff notwendig sein.

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Deutschland formuliert die EU-Wasserstoffstrategie in der „Fortschreibung der Nationalen Wasserstoffstrategie“ für sich ebenso wie andere europäische Länder. Frankreich tut das z. B. im Rahmen des „France 2030“ Plans. Ein wichtiger Meilenstein ist stets das Jahr 2030. Bis 2030 hat sich die Europäische Kommission eine Senkung der Netto-Treibhausgase um mindestens 55 % gegenüber 1990 zum Ziel gesetzt.

Gründe für den Einsatz von sauberen Wasserstoff

Gleich mehrere Gründe sprechen für die entscheidende Rolle von Wasserstoff in der Energiewende:

Als vielseitiger Energieträger kann das Element H2 sauber erzeugt werden. Zudem hinterlässt Wasserstoff bei der Verbrennung oder Nutzung in Brennstoffzellen ausschließlich Wasser als Nebenprodukt. Das trägt zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen bei und macht ihn zu einer attraktiven Alternative zu fossilen Brennstoffen.
Ein weiterer Vorteil der Wasserstoff-Technologie liegt in seiner Speicherfähigkeit. Als Langzeitspeicher für Energie dient er idealerweise für überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energiequellen. Das Elektrolyse Verfahren spaltet Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff auf. Der dabei erzeugte Wasserstoff kann gespeichert und später bei Bedarf wieder in Strom oder Wärme umgewandelt werden.
Wasserstoff bietet zudem die Möglichkeit schwer elektrifizierbare Branchen zu dekarbonisieren. Beispiele sind die Stahlproduktion, die Luftfahrt, der Schwerlastverkehr oder die Schifffahrt. Mit Wasserstoff als Energiequelle sind diese Branchen in der Lage, ihre Emissionen drastisch zu reduzieren.

Es gibt heute Fortschritte in der Wasserstoff-Technologie, die durch wettbewerbsfähige Kosten, eine verbesserte Infrastruktur zu Wasserstoffherstellung, Speicherung und Verteilung von Wasserstoff erzielt wurden. Auch eine verstärkte Zusammenarbeit zwischen den Regierungen, Unternehmen und Forschungseinrichtungen spricht für die Technologie.

Technische Anforderungen in der Wasserstoff Herstellung

Der Einsatz von Wasserstoff als Energieträger bringt spezifische Materialanforderungen mit sich, die eine zentrale Rolle bei der Effizienz, Sicherheit und Langlebigkeit der Systeme spielen. Weil Wasserstoff bei hohem Druck und manchmal bei hohen Temperaturen gehandhabt wird, müssen die eingesetzten Materialien auch solchen Bedingungen standhalten.

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H2 kann in bestimmte Materialien eindringen und dabei deren Struktur verändern. Das kann zu Rissen und Brüchen führen. Spezielle Legierungen, Beschichtungen und Materialkombinationen reduzieren hier die Wasserstoffaufnahme und bewahren eine langfristige Materialbeständigkeit.

Die Anforderungen an die Peripherie von Wasserstoff-Technologien haben sich ebenfalls verändert. Für den Betrieb eines Elektrolyseurs ist beispielsweise Reinstwasser von sehr hoher Güte erforderlich, welches unter Einsatz elektrischer Energie zu Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird.

Reinstwasser-Überwachung im Elektrolyseur

Mit dem Sicherheitstemperaturbegrenzer Jumo SafetyM werden komplette Sicherheitsmessketten realisiert wie für die Überwachung der Temperatur von Wasserstoff in Wasserstofftankstellen. Elektrolyseure gibt es in unterschiedlichen Bauformen, die alle als Eingangsgröße mit Reinstwasser arbeiten. Im Elektrolyseur tauchen zwei Elektroden in das Wasser, die positive Anode und die negative Kathode.

Wird elektrischer Strom durch das Wasser geleitet, spaltet sich das Reinstwasser H₂O an den Elektroden in seine gasförmigen Bestandteile H₂ und O₂ auf. Die erzeugten Gase werden separat gesammelt und können dann für verschiedene Anwendungen verwendet oder zur Speicherung weiterverarbeitet werden.

PEM-Elektrolyseure beispielsweise haben eine Membran, welche Anode und Kathode trennt, um den Sauerstoff vom Wasserstoff zu trennen. Hingegen dient bei alkalischen Elektrolyseuren eine Lösung als Elektrolyt, der parallel die Ionen zwischen den Elektroden transportiert.

Eine wichtige Messgröße für den Elektrolyseur ist die konstante Überwachung und Steuerung der Qualität des Reinstwassers am Eingang. Dies geschieht mittels konduktiven Messsonden, welche die Leitfähigkeit in µS/cm ausgeben. Diese stetige Überwachung schützt vor Beschädigung, garantiert eine möglichst lange Lebensdauer der Bauteile und verlängert die Wartungsintervalle.

Messtechnik für die Wasserstoffherstellung

Der Druckmessumformer Jumo Siras P21 misst zuverlässig und präzise in Wasserstoff und anderen Flüssigkeiten, Dämpfen und Gasen. Auch Jumo verspürt eine deutliche Belebung des Wasserstoff-Geschäfts und sieht enorme Wachstumschancen auf diesem Gebiet. Das Unternehmen passt seine Messtechnik für den Einsatz in der Wasserstoff-Technologie an. Wenn erforderlich wird diese entsprechend zertifiziert. Dazu sind die vorhandenen Fertigungsanlagen nur geringfügig modifiziert worden. Die notwendigen Steigerungen der Stückzahlen lassen sich oft aus der Produktionsreserve realisieren.

Der Umgang mit Wasserstoff erfordert neben umfangreicher Sicherheitsvorkehrungen auch eine messtechnische Expertise. Das betrifft die Wasserstoffherstellung von Reinstwasser ebenso wie die Speisung des Elektrolyseurs oder die Überwachung der elektrolytischen Leitfähigkeit. Digitale, explosionsgeschützte Druck- und Temperatursensoren von Jumo gewährleisten die Überwachung und Sicherung der thermodynamischen Prozesse. Zahlreiche Dax-notierte Unternehmen der deutschen Industrie verbauen diese Lösungen in ihren Anlagen.

Zwei solcher Messsysteme sind die konduktiven Leitfähigkeitssensoren "Tecline CR" und "Digiline CR". Als Entwicklungspartner für Sensor- und Automatisierungslösungen bietet Jumo zudem individuelle Systemlösungen für kundenspezifische Elektrolyseur-Konzepte.

Wasserstoff und die Zukunft

Wasserstoff ist schon seit Jahrzehnten ein wichtiger Rohstoff in verschiedenen Industriezweigen. In der chemischen Industrie wird H₂ zur Herstellung von Methanol, Ammoniak und anderen Produkten verwendet. In der Ölraffinerie wird H₂ bei der Entschwefelung von Treibstoffen eingesetzt. Seine klimaneutrale Herstellung ermöglicht die Dekarbonisierung der Industrie. Darüber hinaus eröffnet die Industrie in vielen neuen Anwendungen große Chancen, um die Klimaneutralität zu erreichen.

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Die energieintensive Schwerindustrie hat damit begonnen die Weichen auf Wasserstoff als Brennstoff für die Stahlproduktion zu stellen und möchte damit die CO 2-Emissionen reduzieren. Im Transportwesen betrachtet man Wasserstoff als Treibstoff der Zukunft für Brennstoffzellen. Besonders vorangetrieben wird die Technologie als Energiequelle bei Bussen und Bahnen, im Schwerlastverkehr, in der Schifffahrt und der Luftfahrt. Im Energieversorgungsnetz kann Wasserstoff als Langfristspeicher dienen und so beispielsweise Schwankungen in der Stromerzeugung ausgleichen, über das Gasnetz verteilt oder in Wärme umgewandelt werden.

Mögliche Anwendungsgebiete für H 2

Die möglichen Anwendungsgebiete werden mit zunehmender Verfügbarkeit von wettbewerbsfähigem grünem Wasserstoff an Attraktivität gewinnen. Weiteres Potential ergibt sich bei der flächendeckenden Anwendung von Wasserstoff im Zuge der Sektorenkopplung. Wasserstoff ist das Verbindungsglied mittels sogenannter Power-to-X-Technologien. Die Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten von Wasserstoff werden den Weg bereiten, um Sektoren wie Stromerzeugung, Wärmeversorgung, Verkehr und Industrie effizient miteinander zu verbinden.

Häufig gestellte Fragen

Wie kann Wasserstoff hergestellt werden?

Wasserstoff kann hauptsächlich durch folgende Verfahren hergestellt werden:

Elektrolyse: Wasser (H 2 O) wird mittels elektrischem Strom in Wasserstoff (H 2) und Sauerstoff (O 2) gespalten. Wenn der verwendete Strom aus erneuerbaren Energieen stammt, wird der so erzeugte Wasserstoff als „grüner Wasserstoff“ bezeichnet.
Dampfreformierung von Erdgas: Dabei wird Erdgas (hauptsächlich Methan, CH 4) mit Wasserdampf unter hohen Temperaturen und Druck gesetzt, um Wasserstoff und Kohlendioxid (CO₂) zu produzieren. Dies ist derzeit die am häufigsten verwendete Methode, resultiert aber in „grauem Wasserstoff“, da CO₂ freigesetzt wird.
Thermische Zersetzung von Methan (Pyrolyse): Methan wird in einem hitzebeständigen Reaktor erhitzt, wobei Wasserstoff und fester Kohlenstoff entstehen, ohne CO₂ freizusetzen. Dieser Prozess kann zu „türkisem Wasserstoff“ führen, wenn die Energie aus nachhaltigen Quellen stammt.
Wasserstoff aus Biomasse (Bio-Hydrogen): Durch Vergasung oder Pyrolyse von Biomasse kann ebenfalls Wasserstoff erzeugt werden. Dieser Prozess kann variieren, je nachdem, welche Technologie und Rohstoffe verwendet werden.

Wie viel Strom braucht man für 1 kg Wasserstoff?

Für die Herstellung von 1 kg Wasserstoff durch Elektrolyse werden je nach Effizienz der Anlage und den Betriebsbedingungen etwa 50 bis 55 kWh elektrischer Energie benötigt. Dieser Wert kann variieren, basierend auf dem Elektrolyse-Verfahren und der Effizienz des gesamten Systems.

Was braucht man um Wasserstoff zu produzieren?

Um Wasserstoff zu produzieren, benötigt man im Wesentlichen:

Eine Energiequelle: Für die Elektrolyse ist elektrische Energie erforderlich. Die Nachhaltigkeit der Wasserstoffproduktion hängt davon ab, ob erneuerbare Energiequellen wie Wind, Sonne oder Wasserkraft genutzt werden.
Wasser: Bei der Elektrolyse wird Wasser (H₂O) als Rohstoff verwendet, das in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) gespalten wird.
Einen Elektrolyseur: Ein Gerät, das die Elektrolyse durchführt. Es verwendet eine Anode und eine Kathode in einem Elektrolyt, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.
Für andere Herstellungsverfahren wie die Dampfreformierung sind Erdgas und ein Katalysator erforderlich, während für die Biomassevergasung organische Materialien benötigt werden.

Wie viel Wasser braucht man zur Herstellung von Wasserstoff?

Für die Herstellung von 1 kg Wasserstoff durch Elektrolyse benötigt man ungefähr 9 Liter Wasser. Dieser Wert kann je nach Effizienz vom Elektrolyse-Verfahren und den spezifischen Betriebsbedingungen leicht variieren.