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cav MESSESPECIAL Bild: Phoenix Contact Wasserstofferzeugung in modularen Anlagen AUTOMATISIERUNGSPAKET FÜR ELEKTROLYSEURE Power-to-X ist ein zentrales Element der Energiewende. Wirtschaftliche und sichere Anlagen für die Elektrolyse und Rückverstromung bedingen allerdings geeignete Strategien zur Automation, Elektrifizierung und Kommunikation. Offene Steuerungstechnik und leistungsstarke DC- Elektronik bilden dabei das Rüstzeug für modulare Anlagen. 24 cav 6-7-2022
Solar-, Wind- und Wasserenergie lösen fossile Energieträger sowie die Kernenergie ab. Soweit der Plan, der zunächst durch die Klimakrise getrieben wurde. Inzwischen zeigt die Abhängigkeit von Erdgas und Erdöl aus Russland, wie dringlich die Energiewende ist. In den nächsten Jahren sollen deutlich mehr Windkraft- und Photovoltaikanlagen errichtet werden. Da die Sonne nicht 24 h an jedem Tag scheint und der Wind ununterbrochen weht, sind die regenerativen Quellen durch Technologien zu ergänzen, die überschüssige Energie speicherbar machen. Dies kann durch sogenannten Power-to- X-Technologien (PtX, P2X) gelingen. In diesem Zusammenhang wird erneuerbarer Strom zu Gas (PtG) wie Methan, Wasserstoff oder Synthesegas, Chemicals (PtC) oder Fuels (PtF) umgewandelt. Über die bestehende Gasnetzinfrastruktur lässt sich grünes Gas monatelang speichern und bei Bedarf transportieren. Die Vision eines „European Hydrogen Backbone“ beinhaltet beispielsweise deren Umnutzung sowie Erweiterung um neue dedizierte Wasserstoffpipelines und Kompressorstationen. Bis 2030 sollen 11 600 km Pipeline, bis 2040 sogar 39 700 km Pipeline für Wasserstoff einsetzbar sein. Zusammenschaltung vieler Elektrolyseure In Deutschland gehen immer mehr PtG-Anlagen in Betrieb. Sie arbeiten nach unterschiedlichen Elektrolyseverfahren – PEM-, SOEC-, alkalische oder AEM-Elektrolyse – und verfügen über eine Nennleistung von bis zu einigen Megawatt. In Niedersachen sind bereits drei Anlagen mit einer Nennleistung von 100 MW in Planung. Elektrolyseure, die Leistungen im Gigawattbereich abdecken sollen, kommen in Zukunft im saudi-arabischen Megacity-Projekt Neom sowie im Hafen von Rotterdam zur Anwendung. Um eine derart hohe Leistung zu erreichen, ist eine Vielzahl von Elektrolyseuren zusammenzuschalten, die serienmäßig hergestellt werden sollen. Das Leitprojet H2Giga des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt dies im Rahmen der Nationalen Wasserstoffstrategie. Bis 2030 sollen allein in Deutschland 10 GW Elektrolysekapazität aufgebaut werden. Am Ende der Kette steht die Rückumwandlung des grünen Wasserstoffs, entweder direkt in mechanische Arbeit und Wärme oder in elektrische Energie, wozu Brennstoffzellen verwendet werden. Eine andere Möglichkeit der Wasserstoffnutzung stellt die chemische Umwandlung in Stoffe wie Ammoniak oder Methanol dar. Für alle Prozesse von der Erzeugung des grünen Wasserstoffs bis zu seinem Verbrauch sind geeignete Strategien und Produkte für die Automation, Elektrifizierung und Kommunikation zu finden. Dabei haben Pilotanlagen abweichende Anforderungen gegenüber Anlagen, die in Serie gefertigt werden. Elektrolyseure als Containerlösung Derzeit entwickeln erste Hersteller wasserstofferzeugende Elektrolyseure als Containerlösung, deren Bau bislang meist in Einzelfertigung erfolgt. Diese Standardsysteme sollen im Rahmen eines modularen Designs zu Gigawattanlagen zusammengeschaltet werden können. Eine effiziente Massenproduktion der Container ist nur durch industrielle Herstellungsmethoden möglich. Anbieter von Verbindungs- und Automatisierungstechnik wie Phoenix Contact unterstützen bei der Komponentenauswahl. Darüber hinaus stellt der Automatisierer Dienstleistungen rund um das Engineering, Design und Offene Steuerungstechnik und leistungsstarke DC-Elektronik bilden das Rüstzeug für die modularen Elektrolyseanlagen die Software zur Verfügung und berät zum Thema Prozesssicherheit. Am Beispiel des Elektrolyseursystems AEM Multicore der Enapter AG wird die Komplexität dieser Aufgabe deutlich. Beim AEM Multicore handelt es sich um ein System der Megawattklasse, das Hunderte von AEM-Stacks (Anion Exchange Membrane/Anionenaustauschmembran) enthält. Mit dieser Art von Elektrolyse soll die Wasserstoffproduktion durch regenerativen Strom massentauglich gemacht werden. Als Herzstück umfasst die AEM-Zelle eine ionenleitende, mit einem Katalysator beschichtete Membran. Hydroxidionen, die durch die elektrolytische Spaltung von Wasser entstanden sind, bewegen sich durch die Membran. Dort bilden sich daraus Sauerstoff und Wasser. Wasserstoff bleibt auf der Kathodenseite und wird abgeleitet. Betriebsfertige Schaltschränke Da die Lösung von Enapter skalierbar ist, eignet sie sich gut für die Serienfertigung. Beim AEM Multicore werden 420 dieser Stack-Module in einem Container zusammengeschaltet. Der Container liefert dann täglich bis zu 450 kg Wasserstoff, was einem Energieäquivalent von 1510 l Rohöl entspricht. Im Container befindet sich weiteres prozesstechnisches Equipment, etwa Tanks mit der Elektrolyselösung, Pumpen und Gastrockner. Ein separater Raum (PSU Compartment) beinhaltet die elektrischen und elektronischen Systeme des Elektrolyseprozesses. Von der kompletten Steuerungstechnik bis zur Gleichstromversorgung der Elektrolyse-Stacks kann Phoenix Contact die jeweils erforderlichen Schaltschränke mit eigenen Produkten ausstatten. Bei Bedarf werden betriebsfertige Schaltschränke angeboten. Dieser Service kommt insbesondere Unternehmen entgegen, die beim Bau eines Prototyps schrittweise ihr Wissen über die Anlagenautomation und die dazu notwendigen Komponenten wie CPUs, I/O-Module oder Leistungselektronik erweitern möchten. Die Wasserstoffherstellung wird von der Schaltzentrale im Container gesteuert. Zudem müssen die Füllstände in den Tanks überwacht und die Elektrolyte geregelt zugeführt werden. Ventilatoren, Lüftung und die Wasservorbehandlung sind zu steuern sowie das elektrische Lastmanagement und sicherheitsgerichtete Anwendungen inklusive Notabschaltung sicherzustellen. Die entsprechenden Aufgaben lassen sich durch die PLCnext Technology abdecken. Die Lösung unterstützt ferner Instandhaltungskonzepte auf der Grundlage von Diag- Bild: Enapter cav 6-7-2022 25
