Wasserstofferzeugung mit Elektrolyseur – Temperatur-, Druck-, Leitfähigkeits-, Füllstands- und Durchflussmessungen

Grüner Wasserstoff – ein Schlüsselelement der Energiewende

Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende chemische Element – und gilt heute als vielversprechender Energieträger der Zukunft. In seiner reinen Form ist er farblos, geruchlos und ungiftig. Wenn er nachhaltig erzeugt wird, kann er eine echte Alternative zu fossilen Energieträgern sein.

Besonders wichtig ist dabei sogenannter grüner Wasserstoff. Er wird mithilfe erneuerbarer Energien wie Wind-, Solar- oder Wasserkraft hergestellt und verursacht dabei keine CO₂‑Emissionen. Damit spielt er eine zentrale Rolle bei der Dekarbonisierung.

Grüner Wasserstoff kann in vielen Bereichen eingesetzt werden – etwa im Verkehr, in der Industrie, bei Heizsystemen oder in der Energieerzeugung. Ein großer Vorteil ist außerdem, dass überschüssige Energie aus erneuerbaren Quellen sich in Form von Wasserstoff speichern lässt. Das hilft, eines der zentralen Probleme der Energiewende zu lösen.

Gleichzeitig entstehen neue Möglichkeiten für Technologien wie Brennstoffzellen und Elektrolyseure, die künftig eine wichtige Rolle in der Energieversorgung spielen können.

Grüner Wasserstoff und seine Rolle für die Klimaneutralität in Europa

Im europäischen Kontext ist grüner Wasserstoff zu einem Schlüsselelement der Energiestrategie geworden, die darauf abzielt, bis 2050 Klimaneutralität zu erreichen. Die Ziele sind ambitioniert: Bis 2030 soll die Kapazität zur Erzeugung von grünem Wasserstoff von derzeit rund 1 GW auf etwa 48 GW steigen. Diese Entwicklung ist für die Energiewende in Europa von zentraler Bedeutung und spiegelt sowohl den globalen Trend zu nachhaltiger Entwicklung als auch die Notwendigkeit wider, verstärkt auf klimafreundliche Energiequellen umzusteigen.

Elektrolyseur – das Herzstück der grünen Wasserstoffproduktion

Ein Elektrolyseur ist ein Gerät, das mithilfe elektrischer Energie Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet.

• Wasser wird elektrischem Strom ausgesetzt, wodurch H₂O-Moleküle in Wasserstoff- (H₂) und Sauerstoffmoleküle (O₂) aufgespalten werden.
• Der entstehende Wasserstoff kann gespeichert und später als Energieträger genutzt werden, während der Sauerstoff für andere Zwecke verwendet werden kann.

Auf diese Weise entsteht hochreiner Wasserstoff, der gespeichert, transportiert und in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden kann.

Anwendungen von Elektrolyseuren im Überblick:

Wasserstoffproduktion:

• Herstellung von grünem Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen
• Einsatz im Verkehr, z. B. für Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeuge
• Nutzung in der chemischen Industrie und in Raffinerien

Energiespeicherung:

• Wasserstoff als Speicher überschüssiger Energie, z. B. aus Photovoltaikanlagen
• Betrieb von Brennstoffzellen

Weitere Anwendungen:

• Wasseraufbereitung
• Metallurgie
• Medizin, z. B. Inhalationen zur Asthmabehandlung

Bedeutung der Temperaturmessung in Elektrolyseuren

Die Temperatur hat einen direkten Einfluss auf die Leistung eines Elektrolyseurs sowie auf dessen Lebensdauer und Sicherheit. Eine zu hohe Temperatur kann zu schnellerem Verschleiß der Komponenten und einer geringeren Effizienz führen. Eine zu niedrige Temperatur hingegen kann die Wasserstoffproduktion beeinträchtigen und die Effizienz des Prozesses reduzieren. Für die Temperaturüberwachung in Elektrolyseuren bieten wir eine breite Auswahl an geeigneten Messgeräten:

• Einschraub­widerstands­thermometer VIBROtemp: Kompakte und vibrationsbeständige Widerstands­thermometer zur Temperaturmessung in verschiedenen Bereichen des Elektrolyseurs. Ihre kurze Reaktionszeit ist ideal für die Überwachung dynamischer Temperaturänderungen.
• Mineralisolierte Thermoelemente: Besonders empfehlenswert für die Überwachung hoher Temperaturen, beispielsweise in Festoxid-Elektrolysezellen (SOEC), wo die Prozesstemperaturen bis zu 1200 °C erreichen können.

Typische Anwendungen dieser Geräte in Elektrolyseuren sind die Überwachung der Temperatur von gasförmigem Wasserstoff und der Temperatur des Elektrolyseurstapels.

Sicherheitsüberwachung in Elektrolyseuren (bis SIL 3)

Die Temperatur ist ein wichtiger Sicherheitsparameter in Elektrolyseuren. Der Sicherheitstemperaturbegrenzer/-wächter safetyM STB/STW Ex bietet ein hohes Maß an Sicherheit und Präzision. Das Gerät erfüllt die Norm SIL 3, ist in einer Ex-Version für explosionsgefährdete Bereiche erhältlich und bietet einen großen Messbereich von -50 °C bis +500 °C. Darüber hinaus verfügt es über Sicherheitsfunktionen wie Selbsttests und Redundanz und ist einfach zu installieren und zu bedienen.

Druckmessung in Elektrolyseuren

Die Überwachung des Drucks in verschiedenen Bereichen eines Elektrolyseurs – etwa im Wasserversorgungssystem und in den Reaktionskammern – ist entscheidend für einen stabilen und sicheren Betrieb.

Abweichungen vom Sollwert, sowohl nach oben als auch nach unten, können auf mögliche Probleme hinweisen. Dazu zählen beispielsweise Leckagen, Verstopfungen oder ein ineffizienter Anlagenbetrieb, die im schlimmsten Fall zu Ausfällen oder Stillständen führen können.

Für diese Anwendungen stehen geeignete Druckmessgeräte zur Verfügung:

• Universeller Drucksensor MIDAS S05:Dieses vielseitige Druckmessgerät eignet sich sowohl für Gase als auch für Flüssigkeiten. Es verfügt über kompakte Abmessungen, ein robustes Gehäuse und bietet langfristige Stabilität.
• Drucksensor dTRANS p20: Entwickelt für industrielle Anwendungen, einschließlich Wasserstoffprozesse. Der Messumformer verfügt über entsprechende Zulassungen wie SIL2 (bis 100 bar) sowie ATEX.

Beide Geräte eignen sich hervorragend zur Überwachung des Drucks von gereinigtem Wasser, das dem Elektrolyseur zugeführt wird.

Leitfähigkeitsmessung in einem Elektrolyseur

Leitfähigkeitsmessungen sind im Elektrolyseprozess unerlässlich, um die Qualität des in Elektrolyseuren verwendeten Wassers zu überwachen. Wasser mit hoher Leitfähigkeit kann zu übermäßiger Korrosion und Beschädigung der Elektroden führen, während Wasser mit geringer Leitfähigkeit die Effizienz des Elektrolyseprozesses verringern kann.

Zu den Geräten, die für diese Aufgabe geeignet sind, gehören:

• Messumformer für separaten konduktiven Leitfähigkeitssensor digiLINE CR ST10 Ausgestattet mit Kommunikationsschnittstellen für Automatisierungssysteme JUMO digiLINE IO-Link. Er verfügt außerdem über einen integrierten Datenspeicher und eine digitale Sensorverwaltung, was die Überwachung und Datenanalyse erleichtert.
• Leitfähigkeitssensor tecLINE CR Dieses Gerät ermöglicht Leitfähigkeitsmessungen in einem breiten Bereich – von sehr niedrigen bis zu hohen Werten. Es kann bei hohen Temperaturen betrieben werden, was für verschiedene industrielle Anwendungen, darunter auch den Elektrolyseprozess, von Bedeutung ist.

Eine typische Anwendung dieser Geräte ist die Leitfähigkeitsmessung am Einlass von gereinigtem Wasser in den Elektrolyseur. Sie überwachen die Wasserqualität und stellen sicher, dass optimale Bedingungen für eine effiziente Elektrolyse vorliegen.

Gas- und Flüssigkeitsdurchflussmessung in Elektrolyseuren

Präzise Durchflussmessungen sind für die Steuerung und Regelung der dem Elektrolyseur zugeführten Wassermenge unerlässlich, da sie sich direkt auf die Effizienz des Elektrolyseprozesses auswirken. Ein unzureichender Wasserdurchfluss kann zu einer unzureichenden Kühlung des Systems führen, was wiederum eine Überhitzung und mögliche Schäden am Elektrolyseur zur Folge haben kann. Darüber hinaus ermöglicht die Durchflussregelung eine Optimierung des Energieverbrauchs, wodurch Verluste minimiert und die Gesamteffizienz des Systems erhöht werden.

Der flowTRANS US W02 ist ein Ultraschall-Durchflussmesser, der sich hervorragend für die Überwachung des Durchflusses in Elektrolyseuren eignet. Er zeichnet sich durch einfache Installation, Korrosionsbeständigkeit und geringen Verbrauch aus und ist damit eine ideale Lösung für Wasserstoffumgebungen. Eine der typischen Anwendungen dieses Durchflussmessers in einem Elektrolyseur ist die Überwachung des Durchflusses und der Temperatur von gereinigtem Wasser am Einlass.

Füllstandsmessung in Elektrolyseurtanks

Die genaue Überwachung des Flüssigkeitsstands, insbesondere des Wasserstands in Tanks, gewährleistet die Kontinuität des Wasserstoffproduktionsprozesses und ist entscheidend für die Vermeidung von Systemausfällen oder Überlastungen. Ein ungeeigneter Flüssigkeitsstand kann zu einem ineffizienten Betrieb des Elektrolyseurs oder sogar zu dessen Beschädigung führen, weshalb die Füllstandskontrolle ein unverzichtbarer Bestandteil des Betriebsprozesses ist. Die Überwachung des Wasserstands im Tank trägt auch dazu bei, die für die Elektrolyse erforderliche optimale Wassermenge aufrechtzuerhalten.

• Schwimmerschalter der Serie JUMO NESOS: Dieses Gerät dient zur Überwachung des Füllstands von ultrareinem Wasser und Kühlmedien. Es zeichnet sich durch seine geringen Abmessungen aus, die eine einfache Installation ermöglichen. Die Möglichkeit der Außenmontage mit einem G3/4-Anschluss macht es sehr praktisch in der Anwendung.
• Kapazitiver Grenzstandmelder ZELOS C01 LS: Seine zuverlässige und robuste Industriekonstruktion in Verbindung mit einer IO-Link-Schnittstelle machen ihn zu einer hervorragenden Lösung für den Einsatz in Elektrolyseuren.

Feuchtigkeitsmessung in Elektrolyseuren

Die Feuchtemessung spielt eine wichtige Rolle im Elektrolyseprozess, insbesondere hinsichtlich der Qualitätskontrolle des erzeugten Wasserstoffs und des Schutzes der Systemkomponenten. Eine hohe Feuchtigkeit in den Ausgangsgasen, wie beispielsweise Wasserstoff, kann die Reinheit des Endprodukts sowie die Effizienz und Sicherheit des Prozesses beeinträchtigen. Übermäßige Feuchtigkeit kann auch zu Korrosion und anderen Schäden an den Komponenten des Elektrolysesystems führen. Unsere spezialisierten Feuchte- und Temperaturmessumformer können für diesen Zweck eingesetzt werden.

Steuerung in Elektrolyseuren – Thyristor-Leistungsregler und modulare Steuerungen

Eine effektive Steuerung in der Elektrolyse, die für die Stabilität und Effizienz des Prozesses entscheidend ist, basiert auf der Leistungsregelung. Zu diesem Zweck werden Thyristor-Leistungsregler und modulare Regler eingesetzt, die eine präzise Steuerung der elektrischen Energie ermöglichen. Thyristor-Leistungsregler wie der TYA S202 bieten eine präzise Steuerung und einfache Konfiguration, während PID-Regler wie miroTRON die Verwaltung komplexer Prozessparameter ermöglichen. Ihr Einsatz in Elektrolyseuren, insbesondere zur Temperaturregelung und Optimierung des Energieflusses, hat einen erheblichen Einfluss auf die Qualität des erzeugten Wasserstoffs und die Langlebigkeit des Systems.