19.07.2021 – Kategorie: Konstruktion & Engineering

Energieträger der Zukunft: Wie Unternehmen vom Wasserstoff profitieren

Energieträger der Zukunft: grüner WasserstoffQuelle: Bilder: Emerson

Wasserstoff als Energieträger ist attraktiv, doch es gibt noch einige Hürden. Vor welchen F&E-Anstrengungen die Unternehmen stehen.

Getrieben durch die Transformation hin zum nachhaltigen Energieträger, ist die Nachfrage nach grünem Wasserstoff größer als je zuvor. Denn Wasserstoff gilt als eine der realistischsten Energiequellen der Zukunft. Entsprechend spannend ist auch das Geschäftsfeld der Wasserstoffproduktion. Wenn Unternehmen jetzt handeln, können sie mit den richtigen Lösungen und Prozessen die Zukunft des grünen Wasserstoffs mitgestalten.


Der Autor: Jörg Brahm, Vice President of Sales for Europe bei Emerson Automation Solutions.

Brahm ist Diplom-Ingenieur im Maschinenbau mit langjähriger Vertriebserfahrung in verschieden Führungspositionen.



Energieträger der Zukunft: Auf dem Weg in eine emissionsfreie Zukunft

Grüner Wasserstoff ist als erneuerbarer Energieträger so attraktiv, weil er bei null Emissionen zuverlässig in universell nutzbare Energie umgewandelt werden kann. Weltweit haben Länder Richtlinien, Programme und Projekte entwickelt, um die Produktion und Nutzung von grünem Wasserstoff zu beschleunigen. Da die meisten Infrastrukturen und Prozesse zur Unterstützung des Übergangs zu grünem Wasserstoff aber erst aufgebaut werden müssen, bleibt das Scale-up eine Herausforderung. Die gute Nachricht ist: Technologielösungen und die digitale Transformation können dabei helfen, viele der Herausforderungen für Unternehmen zu lösen.

Trotz der großen Vorteile der skalierbaren sauberen Energie gibt es jedoch einige Hürden. Derzeit werden F&E-Anstrengungen unternommen, um die Effizienz des Elektrolyseursystems sowie die Betriebsdauer des Elektrolyseurs, die Leistungsdichte und die Stapelgröße zu erhöhen. Mit diesen Verbesserungen werden die Materialkosten gesenkt und flexiblere Systeme erreicht, die an eine gelegentlich unterbrochene und schwankende Stromversorgung angepasst sind.

So gelingt die Skalierung des Wasserstoffs

Aufgrund der großen Skalierbarkeit von Elektrolyseuren müssen Hersteller eruieren, wie sie auf die für die gesamte Bandbreite an Elektrolyseurgrößen erforderlichen Komponenten zugreifen können. Die spezifische Beschaffenheit von Wasserstoff sorgt dabei für noch mehr Komplexität: Als kleinstes und leichtestes Element kann es bei falscher Handhabung zu katastrophalen Folgen kommen. Daher müssen Elektrolyseur-Komponenten zuverlässig und für gefährliche Umgebungen gebaut sein, um Menschen und Sachwerte zu schützen.

Die Relevanz der Lieferanten

Die Zusammenarbeit mit einem auf Wasserstoff spezialisierten Technologielieferanten kann die Lieferkette vereinfachen und Zeit und Geld sparen. Zudem ist es in vielen Fällen einfacher, mit einem Lieferanten zusammenzuarbeiten, der ein komplettes Portfolio anbietet, insbesondere wenn Unternehmen ihre Produktion skalieren. Dadurch können sich Anlagenhersteller und Produzenten auf die Entwicklung und Lieferung ihrer Produkte konzentrieren.

Besonders wichtig ist es, mit einem Lieferanten zusammenzuarbeiten, der über eine breite Palette an Mess-, Steuer- und Elektrogeräten verfügt, die speziell für die Verbesserung der Zuverlässigkeit und Sicherheit in den Gefahrenbereichen von Elektrolyseuren entwickelt wurden. Neben Ventilen, Ventilsystemen, Durchflussmessern, Reglern und Druckgebern sollten sie darüber hinaus intelligente Technologien enthalten, wie z.B. skalierbare Prozesssteuerungs- und Sicherheitslösungen. Diese sollten die betriebliche Komplexität reduzieren, Risiken senken und die Leistung von Anlagen für grünen Wasserstoff verbessern können. Dabei sind auch standortweite Sicherheitssystemfunktionen relevant.  

Energieträger der Zukunft: Umwandlung, Lagerung und Transport von Wasserstoff

Bevor Wasserstoff zur Energiegewinnung genutzt werden kann, muss er umgewandelt, gespeichert oder transportiert werden. Bei Drücken von bis zu ca. 1000 bar in der Wertschöpfungskette muss der Wasserstoff effektiv, effizient und sicher kontrolliert werden. Es darf keinerlei innere oder äußere Lecks durch Stabilitätsprobleme bei statischen oder dynamischen Dichtungen geben. Sogar einige Metalle können durch eine längere Einwirkung von H2 negativ beeinflusst werden – ein Prozess, der als Wasserstoffversprödung bezeichnet wird. Darüber hinaus sind Risikobewertungen zu berücksichtigen und strenge Vorschriften zu erfüllen.

Der Umgang mit Wasserstoff erfordert eine seriöse, verlässliche Kontrolle für einen sicheren Systembetrieb. Die beteiligten Unternehmen müssen sicherstellen, dass in ihren Systemen keine Verluste auftreten und wissen, wie viel Wasserstoff durch die jeweiligen Übertragungs- bzw. Transferpunkte fließt. Dabei ist eine Integration von Komponenten, mit denen der Wasserstoff zuverlässig überwacht und gemessen werden kann, unerlässlich.

Die meisten Systeme umfassen Absperr- und Dosierventile, Hochdruckregler, pneumatische Stellantriebe und Magnetventile. Verlässliche Steuer- und Sicherheitskreise bieten die nötige Präzision, um angemessene Druck- und Durchflussraten aufrechtzuerhalten und die Wasserstoffreinheit zu sichern Zur Fernüberwachung von Druck, Temperatur und Durchflussraten sollten Sensoren integriert werden. Beim Einsatz intelligenter Geräte können Daten gesammelt werden, um die Produktivität zu verbessern, den Anlagenstatus zu überwachen und hohe Betriebserträge zu gewährleisten.

Wichtig dabei ist die Wahl eines Lieferanten mit einem breiten Gesamtportfolio. Zudem sollten Partner über fundierte Erfahrung im Bereich Wasserstoff verfügen und mit den Vorschriften und Zertifizierungen vertraut sein. Sie durchdringen das gesamte Ökosystem und verfügen über Sicherheits- und Steuerungseinrichtungen, um Wasserstoff effektiv und effizient zu überwachen, zu messen und zu steuern. Sie sollten aber auch eine breite Palette von Konstruktionen und Anwendungen bedienen können.

Wasserstoff fuel chain
Die Technik rund um die Wasserstoffversorgung muss erst noch skaliert werden.

Die Herausforderung Mobilität

Ein zentrales Element für den Übergang zu wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen ist die Brennstoffzelle. Derartige Energiesysteme können zum Antrieb von PKW, Nutzfahrzeugen oder Zügen verwendet werden. Wie bei Elektrolyseuren profitieren auch die Hersteller von Brennstoffzellen von einem kompetenten Lieferanten mit einem breiten Portfolio.

Für Brennstoffzellen sollte dieses Portfolio eine zuverlässige Durchflussregelung, Druckregler, Sicherheitsanschlusskästen und flammfeste Kabelverschraubungen umfassen. Die Konstruktionen sollten kompakt und leicht sein, damit die Hersteller Systeme mit hoher Leistungsdichte und verlängerter Zellenlebensdauer entwickeln können. Sie können das Ausfallrisiko von Brennstoffzellensystemen mit Hilfe von Lösungen senken, die eine stabile Druckregelung, eine sichere Verteilung sowie Konnektivität der Geräte bieten.

Wie Tankstellen mit dem Energieträger der Zukunft umgehen können

Sobald wasserstoffbetriebene Fahrzeuge auf die Straße kommen, müssen sie betankt werden. Bei der Umstellung auf grünen Wasserstoff stehen Tankstellen vor diversen Herausforderungen, beispielsweise hinsichtlich Nachhaltigkeit, Sicherheit und Wartung. Zunächst muss der Wasserstofffluss genaustens überwacht werden, um die sichere und korrekte Entnahme von Kraftstoff sicherzustellen. Eine exakte Wartung des Zustands der Tankstellen und ihrer kritischen Komponenten sorgt dafür, dass Tankstellen jederzeit und vielerorts für die Benutzer verfügbar sind.

Bei der Tankstellenausrüstung kann die digitale Transformation zur Lösung einiger kritischer Herausforderungen beitragen. Auf Geräteebene können die Smart-Sensor-Technologie und die von ihr bereitgestellten Daten das Fundament bilden, auf dem die digitale Transformation fußt. Daneben ermöglicht der Einsatz einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) mit integrierter Edge-Gateway-Funktionalität eine umfassende Steuerung und die gesammelten Daten können in Echtzeit-Informationen/Analysen des Zapfvorgangs umgewandelt werden. Die Leistungsfähigkeit der digitalen Transformation kann über eine einzelne Tankstelle hinaus auf ein großes Netzwerk von Stationen skaliert werden, in dem Informationen zur Optimierung zusammengeführt werden können. Die Abgabe exakter Kraftstoffmengen bei höchsten Durchflussraten, die Reduzierung der Wahrscheinlichkeit von Leckagen und die Überwachung der Tankstelle sorgen für einen sicheren Betrieb und optimalen Ertrag.

Die SPS kann in Kombination mit einem Edge-Gateway auch die Analyse und Visualisierung von Diagnose- und Prozessdaten durchführen, was die Logistik der Lieferkette vereinfacht. Durch den Fernzugriff werden Tanks nur bei Bedarf befüllt und Wartungen nur auf Nachfrage durchgeführt.

Von den Lagertanks über die Tankanhänger bis hin zu den Zapfsäulen müssen Tankstellensysteme sicher und einfach zu warten sein sowie den höchsten Leistungs- und Regulierungsstandards entsprechen. Wie sich in der gesamten Wertschöpfungskette zeigt, muss ebenso das Explosionsrisiko von Wasserstoff berücksichtigt werden. Zum Schutz überwachen Gaslecksysteme die Tankstellen kontinuierlich auf Ultraschall, der bei der Freisetzung von unter Druck stehendem Gas entsteht. Auf Hochdruckmessungen ausgelegte Drucksensoren und für Wasserstoffzapfanlagen entwickelte Durchflussmesser können Druck und Gasfluss genau messen. Mit Anschluss der Geräte an ein übergeordnetes Gateway können Warnungen und Alarme in Echtzeit an das Personal vor Ort oder aus der Ferne ausgegeben werden, was die Sicherheit erhöht.

Der erste Schritt zu nachhaltigem Erfolg

Der Aufbau der Infrastruktur und der Prozesse rund um den neuen Energieträger, die für den Übergang zu grünem Wasserstoff erforderlich sind, erfordert einen Partner zur Unterstützung in den Phasen des Scale-Ups. Da der grüne Energieträger noch ein recht neues Geschäftsfeld ist, müssen sich Unternehmen auf Partner mit breitem Wissen und Expertise verlassen. Diese kennen bereits die geltenden Vorschriften und erforderlichen Zertifizierungen und wissen, wie sich diese je nach Region ändern. Darüber hinaus produzieren sie wahrscheinlich bereits in der Nähe ihrer Kunden und Märkte.

Fest steht, dass grüner Wasserstoff weiterhin an Relevanz gewinnt – jedoch, erfordern Aufbau und Steuerung der Infrastruktur sowie die Bereitstellung eine ausgeprägte Expertise. Um dem gewachsen zu sein, sollten sich Unternehmen einen erfahrenen Spezialisten mit fundierten Branchen- und Regulierungskenntnissen suchen. Eine strategische Partnerschaft kann ihre Marktposition stärken und ihnen einen dauerhaften Wettbewerbsvorteil verschaffen – während sie die vielversprechende Zukunft des grünen Wasserstoffs aktiv angehen. 

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