Wasserstoff – vom Periodensystem auf den Markt

Anspruchsvolle Netto-Null-Klimaziele treiben Investitionen voran und lenken die Aufmerksamkeit zunehmend auf erneuerbare Energiequellen, einschließlich klimafreundlichem Wasserstoff. Das Interesse an Wasserstoff ist nicht neu - neu ist jedoch die entscheidende Rolle, die er bei der Erfüllung der globalen Vorgaben zur Dekarbonisierung spielen kann. Tatsächlich ist die Nachfrage nach Wasserstoff in den letzten zehn Jahren um 28 % gestiegen, da immer mehr Branchen sein Potenzial als Alternative zu fossilen Brennstoffen erkennen. Dies gilt insbesondere für Branchen, die sich nur schwer dekarbonisieren lassen, sowie für eine Vielzahl von Anwendungen in der gesamten Wertschöpfungskette.

Es gibt unzählige Möglichkeiten, Wasserstoff zu erzeugen, von denen einige mit Kohlenstoffnebenprodukten verbunden sind und andere keine Emissionen verursachen, aber alle sind mit besonderen Herausforderungen verbunden. Im Idealfall liegt der Schwerpunkt auf der Herstellung von „grünem Wasserstoff“, der aus rein erneuerbaren Quellen und ohne Emissionen gewonnen wird. Bis zum Ausbau der Infrastruktur, der Zuverlässigkeit und Sicherheit des grünen Wasserstoffs, seiner kostengünstigen Gewinnung und der Gewissheit für die Verbraucher, dass er jederzeit und überall verfügbar ist, ist es jedoch noch ein weiter Weg.

In der Zwischenzeit kann die Herstellung verschiedener Arten von Wasserstoff - einschließlich blauem und grauem - dazu beitragen, die aktuelle Nachfrage zu decken, die Akzeptanz zu erhöhen sowie nützliche Erkenntnisse zur Kostensenkung zu gewinnen. Wie in allen neuen Branchen sind messbare Fortschritte in der gesamten Wertschöpfungskette erforderlich, um schneller voranzukommen.

 

Da die Nachfrage nach Wasserstoff steigt, muss die Industrie die Produktion und den Vertrieb beschleunigen und ausweiten. Ob Elektrolyseure oder Dampfreformer mit Kohlenstoffabscheidung verwendet werden – Unternehmen werden auf fortschrittliche Automatisierungstechnologien in Kombination mit verbesserten Prozessen und leistungsstarken Datenanalysen angewiesen sein. Die richtigen Technologien können dazu beitragen, die Produktivität zu verbessern, die Variabilität zu verringern, den Energieverbrauch zu senken, Emissionen zu reduzieren und die Nachhaltigkeit des Betriebs zu gewährleisten.

Globales Automatisierungsdesign auf der Grundlage von intelligenten Geräten, IoT, dezentralen Leitsystemen, Datenanalysen, digitalen Zwillingen und fortschrittlichen Engineering-Tools ermöglicht es Unternehmen, eine einzige Anlage zu entwerfen und auf einfache Weise zu skalieren, die Lernkurve zu beschleunigen, die betriebliche Effizienz zu verbessern, von vorbeugender Wartung zu profitieren und die Lebenszykluskosten von Anlagen zu optimieren.

Emerson arbeitet an einem Pilotprojekt mit der Bezeichnung PosHYdon, das wichtige Erkenntnisse über die Effizienz von Elektrolyseuren und die Entwicklung groß angelegter Systeme zur Erzeugung von grünem Wasserstoff liefern wird.

PosHYdon produziert Wasserstoff vor der niederländischen Küste und erzeugt erneuerbare Kraftstoffe, indem es grünen Strom aus Windturbinen für den Produktionsprozess nutzt. Bei diesem Verfahren wird Meerwasser in entmineralisiertes Wasser umgewandelt und anschließend durch Elektrolyse sicher Wasserstoff erzeugt. Der Wasserstoff wird anschließend mit Erdgas gemischt, an die Küste befördert und in das nationale Gasnetz eingespeist.

Das Projekt nutzt die DeltaV Prozessleitsystemtechnologie von Emerson zur Steuerung der Entsalzungs- und Elektrolysegeräte, der Gasmischung und der Anlagenperipherie. Gleichzeitig werden Sicherheit, Prozessverfügbarkeit und Betriebseffizienz verbessert.

Nachhaltige Wasserstoffprojekte stellen eine Herausforderung dar, da sie zahlreiche Datenquellen in einem einzigen Balance-of-Plant-System integrieren. Dieser Prozess ist ein entscheidender Faktor für den Erfolg einer Anlage. Emerson arbeitet zusammen mit Toyota Australia daran, einen Teil der Betriebsabläufe des Automobilherstellers in die Herstellung, Speicherung und Betankung von Wasserstoff für den kommerziellen Gebrauch umzuwandeln. Das Projekt stützt sich auf das DeltaV Steuerungssystem von Emerson, um Daten von den komplexen Geräten der Anlage zu sammeln und zu kontextualisieren, was die Überwachung der Produktion und Speicherung von Wasserstoffgas sowie die Überprüfung der Nachhaltigkeit des Betriebs erleichtert.

„Durch Schaffung einer Grundlage für die digitale Automatisierung, die Datensilos eliminiert, kann Toyota Australia die Kosten beträchtlich reduzieren und erhält gleichzeitig einen besseren Einblick in die Systemperformance. Somit können Nachhaltigkeitskennziffern auf einfachere Weise aufrechterhalten und gemeldet sowie die Produktivität gesteigert werden“, sagt Mark Bulanda, Executive President des Geschäftsbereichs Automation Solutions von Emerson.

Ein weiteres spannendes Projekt ist das „Advanced Clean Energy Storage Project“ von Mitsubishi Power Americas, das voraussichtlich einer der weltweit größten industriellen Hubs zur Herstellung und Speicherung von grünem Wasserstoff sein wird. Die Anlage wird das benachbarte Projekt „Intermountain Power Agency's Intermountain Power Plant (IPP) Renewal“ mit Wasserstoff versorgen. Dabei kommt die nächste Generation der Gesamtanlagensimulation zum Einsatz, die die digitale Zwillingstechnologie von Emerson, Mitsubishi High-Fidelity-Gasturbinen- und Dampfturbinenmodelle und fortschrittliche Analytik zur Unterstützung von Inbetriebnahme und Schulung umfasst. Das wasserstofffähige 840-Megawatt-Gasturbinen-Kombikraftwerk IPP Renewal wird ab 2025 zunächst mit einem Gemisch aus 30 % grünem Wasserstoff und 70 % Erdgas betrieben, wobei der Wasserstoffanteil bis 2045 auf 100 % erhöht werden soll.

Transport und Lagerung

Bevor Wasserstoff für die Energieversorgung verwendet werden kann, muss er umgewandelt, gespeichert oder transportiert werden. Der Schwerpunkt liegt auf der Minimierung von Wasserstofflecks, dem Wissen, wie viel Wasserstoff durch Getriebe und Übergabestellen fließt, und dem sicheren und effizienten Umgang damit. Wasserstoffspeicherung ist eine Schlüsseltechnologie für die Weiterentwicklung von Wasserstoff in Anwendungen wie der stationären Energieversorgung, der mobilen Energieversorgung und dem Verkehrswesen. Wasserstoffmoleküle können in verschiedenen Formen transportiert und gespeichert werden: flüssiges H2, über flüssige organische Wasserstoffträger (LOHC) oder als Ammoniakmoleküle. Die Eigenschaften der Wasserstoffspeicherung sind sehr komplementär zu anderen kurzfristigen Energiespeichertechnologien wie Lithium-Ionen-Akkus.

Es bestehen überschaubare Sicherheitsrisiken durch Überdruck und Leckagen aufgrund von starken Vibrationen und hohem Druck. Emersons Pumpgrenzventile, Vibrationsdetektoren und Druckregler tragen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und zur Vermeidung flüchtiger Emissionen bei.

Verteilung

Ein Schlüssel zur schnelleren Technologieakzeptanz ist die Nutzung der bestehenden Infrastruktur, die Zeit und Geld für die Projektumsetzung spart. Die Beimischung von Wasserstoff in Erdgasrohrleitungen ist ein gutes Beispiel. Wasserstoff auf Erdgasbasis in Verbindung mit Kohlenstoffabscheidung bietet eine enorme Chance, die Einführung von Wasserstoff weltweit zu beschleunigen.

Die Einbindung von Wasserstoff in die Erdgasinfrastruktur ist jedoch mit drei Herausforderungen verbunden: Korrosion, Wasserstofflecks sowie Gasqualität und Austauschbarkeit. Die Korrosionsüberwachungstechnologie von Emerson ist auf die spezifischen Anforderungen von Rohrleitungen mit Wasserstoffgemisch zugeschnitten. Die Fernüberwachung von Rohrleitungen liefert ein detailliertes Bild des Betriebs – Nachverfolgung von Produkten, Zusammensetzung des Mediums und mehr – zur Verbesserung der Rohrleitungsintegrität. Für Wasserstoff zugelassene Gas-Chromatographen stellen die Einhaltung der Gasqualität und der vertraglichen Vorgaben sicher.

Dank der Technologie von Emerson ist der kanadische Energieversorger Enbridge der erste in Nordamerika, der Strom aus erneuerbaren Quellen verwendet, um emissionsfreien Wasserstoff zu erzeugen. Enbridge bindet Wasserstoff in die Erdgasinfrastruktur ein, um 3.500 Haushalte mit sauberer Energie zu versorgen.

Verbrauch

Wasserstofftankstellen werden eines Tages herkömmliche Kraftstofftankstellen ersetzen, benötigen jedoch Systeme, die den höchsten Leistungs- und Sicherheitsstandards entsprechen. Automatisierungstechnologien tragen zur Reduzierung von Wartungskosten und ungeplanten Störungen an Tankstellen bei. Darüber hinaus werden fortschrittliche Steuerungstechnologien unbemannte Stationen ermöglichen, die eine praktikablere und kostengünstigere Lösung darstellen.

Gleichzeitig möchten Betreiber Gewissheit darüber haben, dass die Stationen die richtige Kraftstoffmenge schnell und sicher mit dem erforderlichen Druck abgeben. Hochentwickelte Instrumente zur präzisen Abgabe von Kraftstoffmengen werden dazu beitragen, die Kosten zu senken, Leckagen zu verringern und einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.

Brennstoffzellen, die Wasserstoff in saubere Energie für den Antrieb von Fahrzeugen umwandeln, müssen zudem zuverlässig sein und eine platzsparende, leichte Bauweise aufweisen. Die Optimierung von Brennstoffzellensystemen ist entscheidend, um Ausfallzeiten zu eliminieren und Kosten zu reduzieren.

Emerson arbeitet mit BayoTech zusammen, das eine Vielzahl von modularen, effizienten Wasserstoffeinheiten baut, die sauberen, kostengünstigeren Wasserstoff erzeugen. Diese Einheiten können pro Tag bis zu 1.000 Kilogramm Wasserstoff erzeugen, eine ausreichende Menge für bis zu 200 Fahrzeuge mit Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb. Um die Skalierung auf globaler Ebene voranzutreiben, werden sich die lokalen Produktionszentren von BayoTech auf die speicherprogrammierbaren Steuerungen und Edge-Control-Technologien von Emerson, die Fernüberwachung und die Microsoft Azure IoT Suite stützen, die einen sicheren und autonomen Betrieb gewährleisten können.

Darüber hinaus werden Emersons Micro Motion Coriolis-Durchflussmesser, die für hohe Betriebsdrücke ausgelegt sind, von der TotalEnergies PitPoint Tankstelle in den Niederlanden eingesetzt, um den Durchfluss von Wasserstoffgas sicher und genau zu messen. Als Total Energies Gas Mobility Partner ist Emerson einer der wenigen Anbieter von Durchflussmessgeräten für den Einsatz in zertifizierten Wasserstoffzapfsäulen.

Kraftstoff der Zukunft

Wasserstoff ist die Zukunft eines abwechslungsreichen und umweltverträglichen Energiemixes. Allerdings benötigen wir einen ausgewogenen und schnellen Ansatz über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg, um dieses ehrgeizige Ziel zu verwirklichen. Indem wir Wasserstofflösungen über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg innovieren und skalieren, tragen wir dazu bei, die Kosten zu senken, die Nachfrage und das Vertrauen der Verbraucher zu stärken und Technologien zu validieren, die für die Herstellung, den Transport, die Speicherung und den Verbrauch von Wasserstoff erforderlich sind. Doch um dieses Ziel zu erreichen, muss zunächst eine solide Grundlage geschaffen werden, die Automatisierungstechnologien, kooperative Technik und Partner mit Fachkenntnissen sowie die Nutzung der vorhandenen Infrastruktur umfasst. So kann die Entwicklung von Wasserstoff als allgegenwärtige, zuverlässige Energiequelle beschleunigt werden und wir können von einem echten Kraftstoff für die Zukunft profitieren.