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Automatisierung von Power-to-X-Anlagen

Sowohl sicher als auch effizient und wirtschaftlich
Automatisierung von Power-to-X-Anlagen

Mit Power-to-X-Verfahren lassen sich die Spitzen und Senken der Produktivität erneuerbarer Energieerzeuger abpuffern. Grüner Wasserstoff gilt daher als wichtiger Bestandteil beim Übergang zur „All Electric Society“. Bei der Automatisierung der notwendigen Technik ist höchste Sicherheit mit Effizienz und Wirtschaftlichkeit zu vereinen. Digitalisierung, modulare Bauweise und Skalierbarkeit werden durch moderne Konzepte unterstützt.

Die Energiewende gewinnt mehr und mehr an Akzeptanz. Als Lösungsansatz wird häufig das Zukunftsbild der All Electric Society diskutiert, in der CO2-neutral generierte Elektrizität die Energieversorgung dominiert. Bestandteil des Prinzips der All Elec-tric Society ist regenerativ erzeugte elektrische Energie, die in speicherbare Energie umgewandelt wird. Dazu kommen sogenannte Power-to-X(P2X)-Technologien zum Einsatz. Stromüberschuss wird dabei zur Produktion von Treibstoffen (Power-to-Fuel), Wasserstoff (Power-to-Gas), Ammoniak, Methanol oder anderen Chemikalien genutzt. Im Rahmen des All-Electric-Society-Gedankens werden einige der so hergestellten Stoffe zur Generierung elektrischer Energie verwendet, nehmen also die Rolle eines Energiespeichers ein, der die Fluktuation der genannten erneuerbaren Energien neutralisiert und eine kontinuierliche Versorgung mit Energie sicherstellt.

Offenheit und neue Standards

Derzeit gibt es eine Flut an P2X-Projekten. Täglich werden neue Konzepte zur Produktion von grünem Wasserstoff an Standorten der Stahl-, Öl- und Gasindustrie zum Ausbau von Pipelines, für Investitionsvorhaben zur Kapazitätserhöhung bei den Herstellern von Elektrolyseuren sowie Machbarkeitsstudien von Wasserstoffanlagen auf der grünen Wiese neben großen Solaranlagen oder Windparks vorgestellt. Angesichts dieses Booms muss die damit entstehende neue Industriesparte auf ebenso neue Automatisierungskonzepte setzen. Diese sollten die im Rahmen der Digitalisierung geforderte Offenheit und die neuesten industriellen Standards umfassen. Mit dem bestehenden Produktportfolio und dem offenen Ecosystem PLCnext Technology bietet Phoenix Contact die Basis, um Konzepte wie Open Process Automation zu realisieren sowie eine einfache Konnektivität von modularen Anlagenteilen mit dem Standard Modul Type Package (MTP) zu ermöglichen. Das beschleunigt die Konstruktion, das Engineering, den Aufbau und die Inbetriebnahme von Anlagen. Außerdem unterstützt PLCnext Technology das NOA (Namur Open Architecture)-Konzept, das Produktionsdaten einfach und sicher nutzbar macht sowie eine wesentliche Grundlage für die stetige Prozessoptimierung, vorausschauende Instandhaltung und zahlreiche weitere Vorteile der Digitalisierung bildet. Mit speziellen Features wie Cloud-Modem, Safety-Steuerungen und Zugang zu einem App Store schafft PLCnext Technology eine zukunftsfähige Grundlage für die Automatisierung aktuell entstehender Anlagen.

IT-Sicherheit von hoher Bedeutung

Power-to-X-Industrien stellen genauso hohe Anforderungen an die IT-Sicherheit (Cyber Security) wie die herkömmlichen Energieversorger. Dabei gilt es nicht nur an der einen oder anderen Stelle der kritischen Infrastruktur Firewalls zu installieren. Zur Minimierung sämtlicher Cyber-Sicherheitsrisiken in den P2X-Anlagen sollten die Schutzziele definiert werden, die auf der gängigen Norm IEC 62443 „IT-Sicherheit für industrielle Automatisierungslösungen“ basieren. Als zertifizierter ICS-Security Service Provider steht Phoenix Contact hier zur Seite. Der ganzheitliche Ansatz beinhaltet auch eine auf Sicherheit ausgerichtete Produktentwicklung. Für Anwendungen in der Wasserstoffindustrie müssen die eingesetzten Produkte explosionsgeschützt sowie vibrations- und temperaturresistent ausgeführt werden.

Die funktionale Sicherheit ist ebenfalls von großer Bedeutung. Die Erfahrungen aus der Prozessindustrie verdeutlichen, dass das Beherrschen von Risiken nicht nur mit Blick auf den Schutz von Umwelt und Mensch, sondern ebenso auf den Erhalt der Anlagen und damit auf die Sicherung der Investition essenziell ist. Ergänzend zum Sicherheitsintegritätslevel (SIL) spielt der Performance Level (PL) eine wichtige Rolle bei der Nutzung automatisierter Sicherheitssysteme. Dezentrale, flexibel konfigurierbare Lösungen wie die SafetyBridge Technology werden heute schon in SIL3-Applikationen in unterschiedlichen Anwendungen verwendet. Sie lassen sich auf einfache Weise in die Steuerung integrieren. Leistungsfähige Safety-Steuerungen für komplexe P2X-Applikationen können zudem in Profisafe- und Profinet-Netze eingebunden werden. Sicheres Abschalten oder sichere Gaserkennungs- und andere Funktionen der funktionalen Sicherheit lassen sich somit herstellerunabhängig verwirklichen. Darüber hinaus tragen Komponenten für den Überspannungsschutz sowie beispielsweise Kameras zur Überwachung dezentraler Infrastruktur zur Sicherheit bei.

Erfahrungen im Ex-Bereich

Als Teil der P2X Supply Chain werden künftig mehr und mehr Tanklager aufgebaut. Große Tankfarmen an Industriestandorten der Stahl- oder Zementerzeugung stellen dort Wasserstoff als Rohstoff für Power-to-Gas- oder Power-to-Liquid-Verfahren bereit. Denn dadurch besteht die Chance, das bislang als Abgas anfallende Kohlendioxid mit Wasserstoff zu synthetischen Kohlenwasserstoffen wie Methanol oder Kerosin umzuwandeln.

Erneuerbare Kraftstoffe (eFuels), die aus klimaschädlichem CO2 durch Carbon Capture and Utilization entstehen, gelten im Rahmen des Energiewandels zumindest als Zwischenlösung und wichtiger Baustein der Kreislaufwirtschaft. Noch klimafreundlicher ist die Transformation des im Abgas enthaltenen CO2 zu chemischen Rohstoffen, sodass es langfristig gebunden wird. Derartige Tanklager werden von Phoenix Contact bereits seit geraumer Zeit mit SIL-zertifizierten und eigensicheren Produkten, darunter zum Beispiel Überfüllsicherungen sowie modulare Steuerungen, ausgestattet. Ferner wird die Speicherung von Wasserstoff in Kavernen, etwa ehemalige Erdgaskavernen, diskutiert, die ebenfalls automatisierungstechnisch ausgerüstet oder angepasst werden müssen. Beim Transport und der Lagerung von eFuels ist den Grundsätzen des Explosionsschutzes zu entsprechen. Zur Automatisierung der benötigten Anlagen sollte ein Anbieter gewählt werden, der über Routine bei der Ausrüstung solcher Prozesse in Gefahrenbereichen und natürlich über die erforderlichen Produkte verfügt. Phoenix Contact hat unter anderem schon Wasserstoff- und Erdgastankstellen automatisiert und dabei auch Safety-Applikationen umgesetzt.

Monitoring-Lösungen

Bei der Automatisierung von Pipelines, die Kompressorstationen umfassen, hat Phoenix Contact ebenfalls seit Langem Erfahrung. Die Power-to-X-Industrie wird neben Pipelines für den Transport verschiedener Gase ebenso Rohrleitungssysteme für die Versorgung von Gebäuden brauchen. Abgesehen von Safety-Lösungen sind hierbei Redundanz-Konzepte gefragt, die die Belieferung bei Ausfall eines Kompressors sicherstellen. Ergänzend zur Automatisierung unterschiedlicher Kompressor-Antriebssysteme – beispielsweise Elektromotoren, Turbinen- oder Kolbenantrieb – sind bewährte und auf den jeweiligen Anwendungsfall zugeschnittene Asset-Monitoring-Lösungen hilfreich für einen störungsfreien Betrieb.

Vielfältige Expertise

Neben dem Know-how-Transfer von ähnlichen Applikationen in Richtung P2X-Industrie hat sich Phoenix Contact spezifischen neuen Anwendungen gewidmet. Im Rahmen erster Projekte wurden zum Beispiel Brennstoffzellen automatisierungstechnisch ausgerüstet. Auch Detail-Optimierungen hat das Unternehmen bereits realisiert: So werden Brennstoffzellen-Stacks bei einem namhaften Hersteller nun auf einfache Weise mit Variocon-Steckverbindern angeschlossen. Bei 40 I/O-Punkten ließ sich dadurch die Effizienz der Montagelinie deutlich steigern.

Elektrolyseverfahren gehören ebenfalls zu den Prozessen, die Phoenix Contact künftig ausrüsten will. Erste Pilotprojekte dienen dazu, die speziellen Anforderungen derartiger Applikationen zu erörtern. Zu diesem Zweck wurde die komplette Automatisierung einer Pilotanlage übernommen, wobei die Leistung erheblich erhöht worden ist. Angesichts vieler chemischer Prozessanlagen, die der Hersteller schon automatisierungstechnisch ausgestattet hat, steht die notwendige Technologie zur Verfügung, um ebenso bei Elektrolyseuren für hohe Verfügbarkeit zu sorgen und damit die Wettbewerbsfähigkeit sicherzustellen. Zur weiteren Reduzierung der Anlagenkosten sind Prinzipien wie Design to Cost zu unterstützen sowie die Kapazitäten hochzufahren. Hier müssen auch die Möglichkeiten der Digitalisierung genutzt werden. In Zukunft lässt sich zum Beispiel der digitale Zwilling im Rahmen der Prozessoptimierung und -modernisierung heranziehen.

Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Blomberg


Autor: Mathias Füller

Vice President Vertical
Market Management Process Industry, Phoenix Contact Electronics

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