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Gasanalytik für den Wasserstoffmarkt

Energiewende voranbringen
Gasanalytik für den Wasserstoffmarkt

Sowohl die Erzeugung als auch die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger der Zukunft stellt die Energiewirtschaft vor neue Herausforderungen. Intelligente Gasanalytik hilft, die vielfältigen Prozesse effizient und sicher zu gestalten und somit die Energiewende voranzubringen.

Klimaneutral, nachhaltig, sauber – vieles spricht für molekularen Wasserstoff als ein Weg aus der Klimakrise. Da das Gas jedoch in keinen nennenswerten Mengen auf der Erde vorkommt, muss es unter Einsatz von Energie erst hergestellt werden. Kommt diese Energie aus regenerativen Quellen wie Sonne und Wind, steht ein portabler, nachhaltiger Brenn- und Kraftstoff zur Verfügung, der sich im LKW-, Schiffs- und Flugverkehr sowie der Industrie vielfältig einsetzen lässt. Hergestellt wird der Wasserstoff z. B. in einem Elektrolyseur, dem Herzstück einer Power-to-Gas-Anlage. Hier wird Wasser unter Stromzufuhr elektrolytisch in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Obwohl der Elektrolysevorgang die beiden Gase trennt, müssen Spuren von O2 in H2 und umgekehrt H2 in O2 kontinuierlich gemessen werden – vor allem um zu verhindern, dass z. B. aufgrund einer Leckage ein explosives Knallgas entsteht. Elegant in einem einzigen Instrument bewerkstelligt diese beiden Messaufgaben der flexible Siprocess-GA700-Gasanalysator von Siemens, wenn er mit den Modulen Calomat 7 für die Wasserstoffmessung mittels Wärmeleitfähigkeit und Oxymat 7 für die paramagnetische Sauerstoffmessung bestückt ist.

Wasserstoffnutzung in Gaskraftwerken

Bereits heute ist Wasserstoff ein wichtiger Ausgangsstoff für die chemische Industrie, etwa zur Herstellung von Ammoniak. Der Einsatz zur Stromerzeugung steckt jedoch noch in den Kinderschuhen. Das soll sich nach dem Willen der Politik grundlegend ändern. Nach Vorstellungen der EU-Kommission würden Gaskraftwerke in der Taxonomie-Verordnung als klimafreundlich eingestuft, sie müssten aber wasserstofftauglich werden und bis 2036 nur noch mit H2 betrieben werden können. Die Bundesregierung macht zusätzlichen Druck: Bestimmte neue Gaskraftwerke sollen schon ab 2028 für Wasserstoff ertüchtigt sein. Die Weichen sind also gestellt.

Da die Umstellung von Gaskraftwerken auf reinen Wasserstoff hohe Investitionen erfordert und ohnehin noch nicht genug grüner Wasserstoff zur Verfügung steht, wird eine Beimischung von H2 zum Erdgas anvisiert. Um die Turbine präzise regeln und den Prozess optimieren zu können, kann auch hier das Calomat-7-Modul in einem GA700-Gasanalysator das H2 kontinuierlich messen. Praxisprojekte starten meist mit einem geringen H2-Volumenanteil von z. B. 15 %, der bei positivem Ausgang sukzessive gesteigert wird – denn je höher der Wasserstoffanteil, desto geringer der CO2-Ausstoß pro erzeugter Megawattstunde. Nichtsdestotrotz muss immer auch das Abgas der Anlage instrumentell überwacht werden. Der robuste Ultramat-23-Gasanalysator kann bis zu vier Gase kontinuierlich und gleichzeitig messen, u. a. CO, CO2, SO2 und verschiedene Stickoxide. Er ist Teil des Sets CEM CERT, eines Systems, das noch weitere Module für die Messgasaufbereitung enthält, z. B. einen Gaskühler, um der Gasprobe die für die Messung hinderliche Feuchte zu entziehen, eine Pumpe und einen NOX-Konverter. Das Set CEM CERT überwacht die Einhaltung gesetzlicher Grenzwerte. Zur Messung von Emissionsgasen werden künftig, auch wegen ständig sinkender Grenzwerte, hochsensitive laserspektroskopische Verfahren an Bedeutung gewinnen. In-situ-Gasanalysatoren auf dieser Technologiebasis messen schneller als extraktive Instrumente, was eine unverzögerte Regelung zur Optimierung von Prozessen ermöglicht.

Messanforderungen für Brennstoffzellen

Eine Technologie, die von der Energiewende profitieren wird, ist die kalte Verbrennung von Wasserstoff in Brennstoffzellen. Sie wird bereits für den Antrieb von Fahrzeugen und für industrielle Anwendungen genutzt. Allerdings reagiert der elektrochemische Vorgang in der Brennstoffzelle empfindlich auf Katalysatorgifte, insbesondere Kohlenmonoxid (CO). Das CO kann der Umgebungsluft entstammen oder aufgrund von Gasfeuchte durch Kohlenstoffkorrosion der Elektrodenplatten entstehen. Bereits Konzentrationen von wenigen ppm können Katalysatoren kontaminieren und dadurch deutliche Leistungsverluste verursachen. Die zuverlässige CO-Überwachung in komplexen Gasgemischen übernimmt ein GA700-Gasanalysator, der mit einem Ultramat-7-Modul bestückt ist. Dank seiner Modularität kann der GA700 gleichzeitig weitere Gase messen, z. B. CO2, Schwefel- und Stickstoffoxide, die ebenfalls dem Katalysator schaden.

Für jeden Gasanalysator ist Messpräzision oberstes Gebot, weshalb er regelmäßig validiert und gegebenenfalls kalibriert werden muss. Spezielle Software von Siemens wie zum Beispiel der Analyzer-System-Manager ermittelt und analysiert ein einsetzendes Driftverhalten, und zwar zentralisiert für sämtliche Geräte, auch diejenigen anderer Hersteller. Mit ihrer Fähigkeit zur vorausschauenden Analyse von verschiedenen Gerätedaten kann sie einen aufkommenden Wartungsbedarf noch vor einer unzulässigen Abweichung feststellen und die Fehleranalyse automatisiert durchführen. So lässt sich die Geräteverfügbarkeit maximieren. Ebenso kann die Wartung optimiert werden, indem auf die Geräte aus der Ferne zugegriffen und notwendige Servicetätigkeiten vollständig digital geplant und teilweise automatisiert werden können, wie z. B. das Reporting von Key Performance Indicators (KPIs).

E-Fuels und Biokraftstoffe

Da Wasserstoff erhebliche Anforderungen an Transport und Sicherheit stellt und Verbrennungsmotoren auf absehbare Zeit nicht überall ersetzbar sein werden, wird an neuen Kraftstoffen gearbeitet, die herkömmlichen Kraftstoffen hinsichtlich chemischer Zusammensetzung und physikalischer Eigenschaften möglichst nahekommen. So genannte E-Fuels sind Kohlenwasserstoffe, die mittels Strom aus Wasser und CO2 hergestellt werden. Kommt der Strom aus erneuerbaren Quellen und das CO2 aus der Atmosphäre, lassen sich Motoren mit ihnen klimaneutral betreiben. Allerdings weisen andere nachhaltige Kraftstoffe günstigere Energiebilanzen auf.

Bereits ausgiebig erprobt sind verschiedene Biokraftstoffe. Sie werden aus organischem Material hergestellt, weshalb sie energetisch günstiger sind und kein Capture von CO2 erfordern. Allseits bekannt ist der E10-Kraftstoff, der bis zu 10 % aus Bioethanol besteht. Die Ausgangsmaterialien des Bioethanols konkurrieren jedoch mit dem Nahrungsmittelbedarf. Deshalb hat Siemens, in Kooperation mit Partnern, verschiedene Projekte zur Herstellung nicht konkurrierender Advanced Biofuels aus hydriertem Pflanzenöl oder fester Biomasse durchgeführt. Im Projekt BioTfueL wurden kostengünstige Reststoffe (vor allem land- und forstwirtschaftliche Abfälle) erfolgreich thermochemisch in Biodiesel umgewandelt. Auch hier kamen kontinuierliche Gasanalysatoren mit Calomat- und Ultramat-Modulen zum Einsatz. Da in der katalytischen Synthese und Produktaufreinigung eine Vielzahl von Gasen zu überwachen sind, wurden außerdem Maxum-Industriegaschromatographen eingesetzt. Mit einer großen Auswahl an Öfen, Detektoren und Trennsäulen sowie der Möglichkeit mit drei Detektoren gleichzeitig zu messen, bietet das Modell Maxum Edition II optimale Voraussetzungen, um das Monitoring der kontinuierlichen Gasanalysatoren zu ergänzen.

Siemens AG, Nürnberg

Halle 6.0, Stand B56

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