Mehr Effizienz und Sicherheit

Als Quelle sauberer Energie gewinnt der Wasserstoff immer stärker an Bedeutung. Um die notwenigen Elektrolyseure sicher und effizient zu betreiben, sind fortschrittliche Gasüberwachungssensoren und -analysatoren wie die von Process Sensing Technologies (PST) das Mittel der Wahl.  

Laut einer Studie von Global Market Insights soll der Markt für Wasserstoff-Elektrolyseure bis 2032 jährlich um über 24 % wachsen, von einem heutigen globalen Marktwert von 2,8 Mrd. USD bis auf 78 Mrd. USD im Jahr 2032.  Zu den gebräuchlichsten Varianten gehören alkalische Zellen und Protonenaustauschmembran-Elektrolyseure (PEM) – auch Polymerelektrolytmembranen genannt.  

Das Herzstück eines Wasserstoff-Elektrolyseursystems bildet die Elektrolysezelle, in der die Wassermoleküle in ihre einzelnen Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt werden. Dazu kommen noch Gasreinigungs-, Gastrocknungs-, Verdichtungs- und Speicheranlagen sowie Netzstromanschlüsse und geeignete Gasverteilungsleitungen.  Bei der effizienten Erzeugung von hochwertigem Wasserstoff ist jede einzelne Komponente von entscheidender Bedeutung und muss daher zuverlässig und angesichts der potenziellen Explosionsgefahr von Wasserstoff auch sicher funktionieren.  Dies wiederum erfordert den Einsatz leistungsfähiger Prozessüberwachungs-, Mess- und Steuerungsinstrumente.  

Zwei der wichtigsten Probleme im Zusammenhang mit der Elektrolyse sind der Verbrauch von Wasser, das in vielen Ländern immer knapper wird, und der Bedarf an Strom. Letzterer kann problematisch sein, wenn er mit fossilen Brennstoffen erzeugt wird, so dass der ideale – wirklich grüne – Elektrolyseur in Verbindung mit einem Windpark oder einer Solarenergieanlage steht. 

Ungeachtet der Art des Elektrolyseurs und seiner Energiequelle ist es wichtig, dass das gesamte System - von der ersten Wasseraufbereitung über die Hochspannungsgleichrichtung bis hin zur Gasverdichtung oder -speicherung – sicher und effizient betrieben wird und dass das erzeugte Wasserstoffgas die erforderlichen Qualitätsstandards für die spätere Verwendung erfüllt. 

Sauerstoffgehalt als Sicherheitskriterium 

Eine wichtige Voraussetzung für den sicheren Betrieb eines Elektrolyseursystems ist die Überwachung des Sauerstoffgehalts im Wasserstoffgasstrom. Sauerstoffkonzentrationsmessungen liefern außerdem einen genauen Anhaltspunkt für die Betriebseffizienz der Elektrolysezelle, zeigen das Vorhandensein von Gaslecks an und dienen als wichtiges Kriterium für den Nachweis, dass die Gasqualität sowie die vertraglichen Verpflichtungen eingehalten werden.  

Zur genauen Messung von Sauerstoff in einer Vielzahl von Gasen, in den anspruchsvollsten Anwendungen und gefährlichen Umgebungen hat Process Sensing Technologies (PST) den galvanischen Sauerstofftransmitter Minox-i entwickelt. Der zuverlässige und kosteneffiziente, schleifengespeiste 2-Draht-Transmitter mit einem 4...20-mA-Ausgang ist eigensicher konstruiert.  

Er hat eine geringe Baugröße und bietet eine Vielzahl von Prozessanschlüssen für den direkten Einbau oder die externe Montage, so dass der Minox-i im Prozess oder in einer Probenahme integriert werden kann. Durch den Einsatz verschiedener elektrochemischer Sensortechnologien ist es PST beim Minox-i gelungen, eine hohe Messgenauigkeit und Stabilität mit einer langen Lebensdauer zu kombinieren.  

Feuchte als Qualitätskriterium 

Die Zuverlässigkeit und Genauigkeit jedes dieser Geräte ist für den effektiven und sicheren Betrieb eines jeden Elektrolyseurs von entscheidender Bedeutung. Hervorzuheben sind die Feuchtigkeitssensoren, die für die Optimierung des Betriebs von Trocknungssystemen unerlässlich sind. Sie spielen eine Schlüsselrolle für die Qualität der Dehydratisierung des durch Elektrolyse erzeugten Wasserstoffs, der mit Wasserdampf gesättigt ist. 

Ein Kriterium für die Gasqualität ist die Menge des Wasserdampfs, der vom Elektrolyseprozess mitgeführt wird.  Deshalb ist eine Wasserstofftrocknung erforderlich. Um Spuren von Feuchtigkeit zu erkennen, sobald das Gas den Trocknungsprozess durchlaufen hat, braucht man geeignete Feuchte- oder Taupunktsensoren. 

Die Easidew-Taupunkt-Transmitter von PST sind für den Einsatz in eigensicheren und explosionsgefährdeten Bereichen zertifiziert.  Damit sind sie ideal für die Installation am Ausgang von Wasserstoffreinigungs- und -trocknungsanlagen geeignet, um sicherzustellen, dass das Gas den erforderlichen Spezifikationen entspricht.  Easidew-Transmitter basieren auf einer robusten und bewährten Keramik-Metalloxid-Sensortechnologie von Michell, die eine hohe Genauigkeit und gleichzeitig außergewöhnliche Ansprechraten sowie Langzeitstabilität bietet. 

Die Messung von Taupunkt oder Feuchtekonzentration ist einfach zu installieren, da eine große Auswahl an Prozessanschlüssen zur Verfügung steht. Die eigensichere Variante Easidew I.S. ist für die Messung von Spurenfeuchte und Wassertaupunkt in explosionsgefährdeten Bereichen konzipiert. Er trägt die weltweiten Ex-Zulassungen von IECEx, QPS, ATEX und UKCA. Alle Easidew-Taupunktmessgeräte sind mit einem Service-Austauschprogramm erhältlich, das die Kosten und den Zeitaufwand für die Wartung reduziert. Sie werden nach internationalen Standards kalibriert und mit einem rückführbaren Kalibrierungszertifikat geliefert.  

Bestimmung der Gaskonzentration 

Zur Messung von binären oder pseudobinären Gasgemischen in Wasserstoff (H2-Reinheit) oder Kohlendioxid, bieten sich die linearen und langzeitstabilen Wärmeleitfähigkeits-Analysatoren der XTC-Serie von PST an. Die XTC601/501-Binärgas-Analysatoren nutzen die Differenz der Wärmeleitfähigkeit, um die Gaskonzentration online exakt und langzeitstabil zu messen.  

Die gesamte Anordnung ist temperaturgeregelt, um eine isotherme Umgebung zu gewährleisten. Dies sorgt für eine genaue und stabile Grundlage für die wiederholbare Onlineanalyse der Messgaskonzentration, was besonders bei sicherheitsrelevanten Anwendungen wie der Überwachung von CO2/ Membranen von großer Wichtigkeit ist. 

Der Sensor ist entweder in einem für den Innenbereich geeigneten, wandmontierbaren IP55-Gehäuse (XTC501) oder in einem robusten IP66-Gehäuse (XTC601) untergebracht. Der XTC601 ist in einer Ex d geschützten ­Variante erhältlich, die für Installationen in explosionsgefährdeten Bereichen geeignet ist. Ein ergänzendes SIL-Handbuch wird mit dem Analysegerät geliefert, das der Anwender für die Integration des Gerätes in sein funktionales Sicherheitssystem verwenden kann. Das Sensordesign eliminiert weitgehend die systematische Abweichung, die mit anderen vergleichbaren Geräten verbunden ist und verbessert so die Langzeitstabilität der Messung. Dies ermöglicht längere Kalibrierintervalle und reduziert Arbeits- und Verbrauchsmaterialkosten. Der Wärmeleitfähigkeitssensor verbraucht sich nicht, hat keine beweglichen Teile und wird daher nicht durch Vibrationen oder Bewegungen beeinflusst. 

Bilder: Process Sensing Technologies Ltd.