ENERGIEEFFIZIENZ & NACHHALTIGKEIT

 Sensorik und Ex-Schutz für die Dekarbonisierung 

Wasserstoff- und Datenfluss

Eine funktionierende Wasserstoffwirtschaft ist Voraussetzung für Dekarbonisierung und Klimaneutralität. Unter Einsatz von erneuerbarer Energie gewonnen, kann das vielfältig nutzbare Gas wichtige Funktionen im Transportwesen und in der Industrie übernehmen. Beim Umgang mit ihm gibt es eine Reihe von automatisierungstechnischen Herausforderungen zu bewältigen. Die optimale Regelung der verschiedenen Prozesse benötigt solide Daten von modernen Sensoren. Für die durchgängige Sicherheit sorgen explosionsgeschützte Komponenten. 

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Die Wertschöpfungskette der grünen Wasserstoffwirtschaft beginnt genau genommen bei Windrädern und Solaranlagen. Sie liefern die erneuerbare Energie für die Elektrolyseure, in denen das Gas dann CO2-neutral gewonnen wird. Diese stehen am Anfang der prozesstechnischen Phase, die auch Speicherung und Transport umfasst. Da die kleinen Wasserstoffmoleküle viele Stoffe durchdringen können und außerdem äußerst reaktionsfreudig sind, ergeben sich zum Teil sehr hohe Anforderungen, an die verwendeten Materialien. Außerdem werden für Speichertanks hohe Druckstufen benötigt. Davon abgesehen weist Wasserstoff in der Handhabung große Ähnlichkeit mit Erdgas auf.


Bewährte Prozesstechnik

Man kann also auf bewährte Prozesstechnik zurückgreifen, um die verschiedenen Abschnitte des Wasserstoffstroms zu regeln. Ein großer Teil soll in Deutschland durch das Kernnetz fließen, dessen Fertigstellung im Rahmen der nationalen Wasserstoffstrategie bis 2032 geplant ist. Sowohl bei solchen weitverzweigten Versorgungsnetzen als auch bei räumlich ausgedehnten Anlagen, wie man sie auch in der Chemie und Petrochemie findet, sind zahlreiche manuell zu stellende Auf/Zu-Ventile im Einsatz. Obwohl sie in der Regel für unkritische Prozesse verwendet und nur selten betätigt werden, hilft ihre kontinuierliche Überwachung die Prozesse zu sichern und zu stabilisieren. Ein Anschluss per Kabel über lange Strecken wäre aber sehr teuer und aufwendig.

Handventil mit Funkmodul

Um solche Ventile mit geringem Aufwand mit der Leitwarte zu verbinden, hat Pepperl+Fuchs einen Nachrüstsatz für die kabellose Ventilstellungsrückmeldung entwickelt. Das autonome System WILSEN valve umfasst induktive Sensoren und ein LoRaWAN-Datenübertragungsmodul, die von einer Batterie mit Strom versorgt werden. In dem Gerät können sowohl bewährte Doppelsensoren als auch zwei separate Namur-Sensoren eingesetzt werden. Sie erfassen die Stellung des Handhebels, ein passendes Interface übermittelt die Ausgangsignale an das LoRaWAN-Modul. Um die Batterie zu schonen, kann die Datenübertragung zur Leitwarte an die Änderung der Ventilstellung gekoppelt werden. Der Sensor misst im konfigurierten Zyklus, die Funkübertragung erfolgt nur bei einer Statusänderung. 

Das hier verwendeten induktive Messprinzip weist eine Reihe von Vorteilen auf: Es benötigt nur elektrische Anschlüsse und funktioniert berührungslos. Der Sensor kann in einem völlig dichten Gehäuse untergebracht und mit mobilen Bedämpfungselemente aus hochlegiertem Edelstahl kombiniert werden. So wird die Detektion von Schmutz, Staub, Öl, Feuchtigkeit und chemische Einflüsse nicht beeinträchtigt. Für motorisierte Stellventile und Auf/Zu-Ventile mit direkter Fernüberwachung, wie sie in kritischen Anlagenteilen im Einsatz sind, bietet Pepperl+Fuchs ebenfalls passende induktive Sensoren an.

Ethernet direkt ins Feld 

Für die Regelung von Wasserstoff-Anlagen werden neben Sensoren und Aktoren vor allem geeigneten Signalübertragungswege benötigt. Hier wird voraussichtlich Ethernet-APL als Übertragungsphysik für Netzwerke im Feld von Prozessanlagen eine zentrale Rolle spielen. Die Technologie eröffnet bei der Nachrüstung wie bei der Neuinstallation neue Möglichkeiten für flexible Gestaltung. Sie kommt mit der bekannten Zweidrahtleitung aus, überträgt jedes Protokoll und liefert gleichzeitig den Betriebsstrom für die angeschlossenen Geräte, mit einer Leistung bis 96 W. 

Derzeit sind Übertragungswege zwischen Switch und Feldgerät von bis zu 200 m möglich. Auf Grundlage der Zweidrahtleitung bietet Ethernet-APL eine Innovationsoption, die den Umgang besonders einfach macht. Ein Gerätetausch einschließlich Gerätekommunikation und Loop-Check kann mit App-Unterstützung in wenigen Minuten durchgeführt werden. 

Der Übertragungsmodus erlaubt praktisch unbeschränkte Flexibilität in der Kommunikation. Geräte werden beim Anschluss automatisch erkannt; Konfiguration und Diagnose können ausgelesen und ausgewertet werden. Das Hochladen der Dokumentation und die Übertragung des aktuellen Messwertes können gleichzeitig erfolgen. Pepperl+Fuchs war an der Entwicklung dieses offenen und herstellerunabhängigen Standards intensiv beteiligt. Dabei ist auch langjährige Erfahrung des Mannheimer Unternehmens im Explosionsschutz mit eingeflossen.

Signalübertragung in Ex-Zonen 

Da Wasserstoff ein hochgradig zündfähiges Gas ist, sind viele Bereiche der Infrastruktur per Definition explosionsgefährdet. Das gilt prinzipiell auch, wenn das grüne Gas in „zwischengespeicherter“ Form als Ammoniak oder Flüssiger Organischer Wasserstoffträger (Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC) auftritt. Mit FieldConnex Switches von Pepperl+Fuchs können Feldgeräte aus jeder Ex-Zone bis Zone 0 angebunden werden. Die Geräte-Ports mit Ethernet-APL verfügen über die Schutzart Eigensicherheit. Über alle Hierarchieebenen hinweg stellen sie die durchgängige Ethernet-Kommunikation bis ins Feld her.  

Beim elektronischen Explosionsschutz gehört Pepperl+Fuchs seit den 1950er-Jahren zu den Vorreitern. Heute steht ein großes Portfolio verbindungstechnischer Komponenten für die sichere Signalübermittlung in Ex-Zonen zur Verfügung. Hier sind unter anderem Signaltrenner, Remote-I/O-Systeme sowie eigensichere Barrieren und Mobilgeräte zu nennen. In der breiten Palette von Sensoren finden sich zahlreiche Geräte mit der Zündschutzart Eigensicherheit. Durch ihren Einsatz in Kombination mit eigensicheren Trennbarrieren wird der Aufwand für Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten an Ex-i-Kreisen deutlich verringert. 

Die explosionsgeschützten Trennbarrieren können im Schaltschrank oder in einem geeigneten Gehäuse auch direkt in der Ex-Zone 2 montiert werden. Dafür bietet Pepperl+Fuchs maßgeschneiderte Zone-2-Module an, zum Beispiel aus der Serie GR.T. Gehäuse mit der Zündschutzart Überdruckkapselung stehen ebenfalls zur Verfügung, um etwa Gasanalysegeräte zu sichern. Diese werden unter anderem für die Reinheitsprüfung bei Wasserstoff benötigt, sind in der Regel aber nicht eigens für den Ex-Bereich zugelassen. Das Analysegerät kann in einem Gehäuse mit vollautomatischem System der Bebco EPS Serie 6000 untergebracht werden. Anwendungsspezifisches Engineering einschließlich vollständiger Zertifizierung und dem Bau von individuellen Gehäuselösungen nach ATEX-, IECEx- und NEC-Richtlinien gehört ebenfalls zum Angebot von Pepperl+Fuchs.

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