Condition Monitoring für Elektrolyse-Stacks
Sicher zu grünem Wasserstoff
Stacks sind das Herzstück von Elektrolyseuren, die der Erzeugung von Wasserstoff dienen. Sie bestehen je nach Herstellungsverfahren aus mehreren Hundert Bipolarplatten. Weil bereits eine defekte Platte die Gesamtleistung beeinträchtigt, ist es sinnvoll, die Spannung an jeder einzelnen separat zu überwachen. Mit Lösungen von Weidmüller lassen sich die Messwerte auch im explosionsgefährdeten Bereich sicher und zuverlässig erfassen bzw. weiterverarbeiten.
Bild: Weidmüller GmbH & Co. KGGrüner Wasserstoff ist Hoffnungs- und Energieträger gleichermaßen - vor allem als Ergänzung zu den volatilen Stromerzeugern Photovoltaik und Windkraft. Bei einigen Elektrolyseverfahren lässt sich zusätzlich auch die Abwärme nutzen. Dementsprechend vielfältig sind die möglichen Standorte für die Elektrolyseure. Das können Zementwerke, Offshore-Windkraftanlagen oder ein Betriebsgelände sein, wo Wasserstoff z.B. für Flurförderfahrzeuge gewonnen wird. So unterschiedlich Bauformen und Prozesse sein mögen: Im Prinzip werden immer zwei Elektroden und dazwischen eine Membran benötigt. Die Zellspannung zur Trennung der Moleküle in Wasserstoff und Sauerstoff beträgt rund 2,5V. Bei einem Stack mit 100 Bipolarplatten ergibt das 250V. Es können aber auch je nach Stackgröße und -verschaltung einige Hundert bis weit über 1.000V sein. Der Betrieb der Platten unterliegt Alterungsprozessen, wenngleich von einer Lebensdauer von bis zu 20 Jahren ausgegangen wird. Dabei bestimmt stets die schlechteste Zelle die Gesamtleistung des Stacks. In diesem Fall kann durch Justieren der Stack-Parameter die Effizienz hochgehalten werden. Das setzt voraus, dass die Platten kontinuierlich per Condition Monitoring einzeln überwacht werden, das sogenannte Single Cell Monitoring. Für die technische und praktische Umsetzung hat Weidmüller im engen Austausch mit Herstellern von Elektrolyseuren spezifische Lösungen entwickelt.
Bild: Weidmüller GmbH & Co. KGSicherer Messabgriff am Stack
Befinden sich Stacks in explosionsgefährdeten Bereichen der Zonen 1 und 2, muss somit sichergestellt sein, dass den besonderen Anforderungen entsprochen wird. Die Anschlussleitungen zu den Bipolarplatten müssen sicher kontaktieren und auf kürzestem Weg aus dem Ex-Bereich führen. Weidmüller stellt hierfür die gesamte Kette vom Plattenkontakt über die Datenvorverarbeitung und die Busanbindung bis zur Datenkommunikation und Datenanalyse zur Verfügung. Bei den gängigsten Verfahren, der PEM- und der alkalischen Elektrolyse, beträgt die Temperatur im Stack 60 bis 100°C. Die Kontaktierung lässt sich hier mit gängigen Flachsteckhülsen und handelsüblichen Silikonleitungen der Widerstandsklasse bis 125 °C realisieren.
"Neben der Einzelkontaktierung ist auch ein Mehrfachanschluss möglich. Dabei sind die Kontakte auf Leiterplatten aufgebracht", erklärt Matthias Kaspar, Applikationsmanager für den Fachbereich Wasserstoff bei Weidmüller, und ergänzt: "So lassen sich mehrere Platten mit einem Steckvorgang kontaktieren. Dabei ist die temperaturbedingte Ausdehnung des Stacks zu beachten - für die typischen Stacks der PEM-Elektrolyse bedeutet das eine enorme Zeitersparnis." Durch die eigene Elektronikfertigung kann Weidmüller individuelle Stecklösungen anbieten. Für den Spannungsabgriff und die Potentialübertragung an die Auswerteeinheit steht eine Reihe weiterer Komponenten bereit, wie Steckverbinder und Signalverteilerboxen. Sie ermöglichen individuelle und Stack-spezifische Lösungen.
Schnittstellen nach Kundenwunsch
Elektrolyseanlagen als modulare Containerlösungen können weitgehend unabhängig auch dezentral betrieben werden. Es gibt bereits Überlegungen, umgebaute Überseecontainer in Verbindung mit Windkraftwerken zu installieren. In jedem Fall müssen die Signale gesammelt und sicher geführt werden. Bei einer umfassenden Überwachung der Anlage gehören dazu nicht nur die Zellspannungen, sondern auch weitere Parameter, wie Leistungsaufnahme, Temperaturen, Anlagendruck oder Durchflüsse. "Für den Anschluss der Sensorik hat Weidmüller passive Ex-Signalverteilerboxen mit M12-Anschlüssen entwickelt", sagt Kaspar. "Anders als die meisten anderen Produkte auf dem Markt können diese sogar in der Zone 1 eingesetzt werden." Mittels Y-Leitungen können so bis zu 16 Sensoren oder Ventile angesteuert werden. Im Wartungsfall lassen sich die Komponenten einfach austauschen. Ein weiteres Produkt sind steckbare Adapterhauben, mit denen sich die angeschlossenen Sensoren oder Aktoren ohne Zentralsteuerung testen lassen. Die Lösung ist für die modulare Anlagenstruktur von Containern geeignet, bei denen die Signale der Sensoren und Aktoren dezentral gesammelt und zu einer gekapselten Steuerung geführt werden.
Neben der Verdrahtung deckt das Weidmüller-Portfolio auch die Datenvorverarbeitung ab. Das übernimmt die u-remote-Station mit Ex-Zulassung für die Zone 2. Die so aufbereiteten Daten werden an ein Gateway oder einen Router weitergegeben. Zum Anschluss an eine Steuerung stehen Varianten für die gängigen Protokolle, z.B. Profinet oder Modbus TCP, sowie Ethernet zur Verfügung. Neben der LAN-Verbindung ist zudem eine Anbindung via IoT-Boxen an Cloudsysteme möglich. Auf diese Weise lassen sich auch abgelegene Anlagen überwachen. Zudem kann neben dem Anwender auch der Anbieter für Diagnose-, Service- und Support-Leistungen auf die Anlage zugreifen. Ergänzend bietet Weidmüller spezielle Ex-zugelassene Gehäuse an. Mit Barrieren zur galvanischen Trennung sind so ebenfalls sichere Anschlüsse bis in die Zone 0 möglich. Damit hat der Anwender die Möglichkeit, Signale einfach, sicher und wirtschaftlich aus der Zone 0 zur Steuerung zu führen.
Stack-Monitoring und mehr
Zu einem lückenlosen Condition-Monitoring-System (CMS) zählen viele Überwachungsaufgaben. Auch die Erfassung der Leistungsaufnahme vor dem Gleichrichter gehört mit dazu. Mit genauen Messdaten kann der Betreiber selbst entscheiden, wann ein Service sinnvoll ist. Ebenfalls lässt sich der Stack durch andere Parametereinstellungen in einem geeigneten Betriebspunkt abhängig von der jeweiligen Situation halten. Das ist bei abgelegenen Anlagen sicher wirtschaftlich. Weidmüller entwickelt ständig weitere Komponenten für sein CMS-Portfolio, z.B. den Vibrationssensor u-sense zur Überwachung von Pumpen und Kompressoren. Deren Schwingungsverhalten gibt Auskunft über den Verschleiß von Lagern oder andere sich anbahnende Fehler. Durch Batteriebetrieb, Bluetooth-Anbindung und individuelle Befestigungsmöglichkeiten eignet sich der Sensor auch für die nachträgliche Montage. Weitere Sensoren, etwa zum Überwachen von Vorspannungskräften, sind in der Entwicklung. Die Stacks werden mit vorgespannten Federn gehalten, damit sie sich bei Temperaturwechseln ausdehnen können und nicht undicht werden. Eine permanente Überwachung macht ein turnusgemäßes Nachziehen per Drehmomentschlüssel überflüssig.
Weidmüller verfügt über ein akkreditiertes Labor, um projektspezifische Lösungen normengerecht zu entwickeln. Damit ist das Unternehmen in der Lage, alle Module von der Stack-Kontaktierung bis zur Datenanalytik für CMS und Predictive Maintenance in der Wasserstofferzeugung zur Verfügung zu stellen. Alle Komponenten entsprechen hohen Anforderungen und Richtlinien, etwa der Atex-Direktive oder den UL-Standards. n@Ausgabe_rechts:SPS-MAGAZIN 8 | 2023
Stacks sind das Herzstück von Elektrolyseuren, die der Erzeugung von Wasserstoff dienen. Sie bestehen je nach Herstellungsverfahren aus mehreren Hundert Bipolarplatten. Weil bereits eine defekte Platte die Gesamtleistung beeinträchtigt, ist es sinnvoll, die Spannung an jeder einzelnen separat zu überwachen. Mit Lösungen von Weidmüller lassen sich die Messwerte auch im explosionsgefährdeten Bereich sicher und zuverlässig erfassen bzw. weiterverarbeiten.
Bild: Weidmüller GmbH & Co. KGGrüner Wasserstoff ist Hoffnungs- und Energieträger gleichermaßen - vor allem als Ergänzung zu den volatilen Stromerzeugern Photovoltaik und Windkraft. Bei einigen Elektrolyseverfahren lässt sich zusätzlich auch die Abwärme nutzen. Dementsprechend vielfältig sind die möglichen Standorte für die Elektrolyseure. Das können Zementwerke, Offshore-Windkraftanlagen oder ein Betriebsgelände sein, wo Wasserstoff z.B. für Flurförderfahrzeuge gewonnen wird. So unterschiedlich Bauformen und Prozesse sein mögen: Im Prinzip werden immer zwei Elektroden und dazwischen eine Membran benötigt. Die Zellspannung zur Trennung der Moleküle in Wasserstoff und Sauerstoff beträgt rund 2,5V. Bei einem Stack mit 100 Bipolarplatten ergibt das 250V. Es können aber auch je nach Stackgröße und -verschaltung einige Hundert bis weit über 1.000V sein. Der Betrieb der Platten unterliegt Alterungsprozessen, wenngleich von einer Lebensdauer von bis zu 20 Jahren ausgegangen wird. Dabei bestimmt stets die schlechteste Zelle die Gesamtleistung des Stacks. In diesem Fall kann durch Justieren der Stack-Parameter die Effizienz hochgehalten werden. Das setzt voraus, dass die Platten kontinuierlich per Condition Monitoring einzeln überwacht werden, das sogenannte Single Cell Monitoring. Für die technische und praktische Umsetzung hat Weidmüller im engen Austausch mit Herstellern von Elektrolyseuren spezifische Lösungen entwickelt.
Weidmüller GmbH & Co. KG
Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN 8 (August) 2023 - 14.08.23.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
