Wasserstoffgewinnung

Messtechnik für Elektrolyseure

25. Mai 2022, 10:01 Uhr | Joachim Baumann, Director Sales Interface Technology von Knick Elektronische Messgeräte
Die Prozessanalytikprodukte von Knick, wie hier das »Stratos Multi« und der pH/Redox-Sensor, sind für den Einsatz in der Wasserstoffgewinnung geeignet.
Die Prozessanalytikprodukte von Knick, wie hier das »Stratos Multi« und der pH/Redox-Sensor, sind für den Einsatz in der Wasserstoffgewinnung geeignet.
© Knick elektronische Messgeräte

Elektrolyseure benötigen ausgeklügelte Messtechnik, um zuverlässig arbeiten zu können. Darauf hat sich Knick spezialisiert: Sowohl die elektrischen Parameter als auch die Qualität des Prozesswassers können kontinuierlich überwacht werden.

Für das Messen und Regeln von Elektrolyseprozessen werden Komponenten benötigt, die präzise hohe Spannungen übertragen und dabei höchstmögliche Sicherheit bieten. Zudem ist es essenziell, die Qualität des Prozesswassers kontinuierlich zu überwachen und die Messwerte an die Anlagensteuerung zu übergeben.

Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft. Insbesondere grüner Wasserstoff avanciert zur Chiffre für die CO2-freie und nachhaltige Energiewende. Dabei wird regenerativ erzeugte elektrische Energie in Wasserstoff umgewandelt, wenn die Energie aufgrund mangelnder Netzkapazitäten oder geringer Nachfrage nicht ins Verbundnetz eingespeist werden kann.

Das Gas wird in Elektrolyseuren gewonnen, die sich üblicherweise direkt am Erzeugungsort der Energie befinden. Die Systeme bestehen aus Elektrolysezellen, die in Paketen, den sogenannten Stacks, zusammengefasst werden. Dazu kommen eine Einheit für die Wasseraufbereitung, Leistungselektronik, Mess- und Regeltechnik sowie eine Steuerung mit Schnittstellenmanagement.

Praxistaugliche Elektrolyseure

Um den Wasserstoff prozesssicher und wirtschaftlich erzeugen zu können, ist ein Monitoring der Zellen zur Detektion von Drift oder Alterung erforderlich, weil sie die Funktionsfähigkeit der Zellen beeinflussen. Dafür ist die präzise Messung von Systemparametern, wie Strom, Spannung und Temperatur direkt in den Elektrolyseuren essenziell.

Um praxistaugliche Messtechnik für die Wasserstoffgewinnung zu entwickeln, greift Knick Elektronische Messgeräte auf seine Erfahrung in der Interface-Technik und Prozessanalyse für den Energiesektor zurück.

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Knick Hochspannungs-Trennverstärker messen die Spannung in den Stacks und den aufgenommenen Strom.
Knick Hochspannungs-Trennverstärker messen die Spannung in den Stacks und den aufgenommenen Strom.
© Knick elektronische Messgeräte

Kleinste Spannungsunterschiede werden erfasst

Bei den Stacks im Elektrolyseur eines amerikanischen Herstellers sind je nach Leistungsstufe mehr als 100 Elektrolysezellen verschaltet. Weil die Betriebsspannung einer einzelnen Zelle zwischen 2 und 3 V DC liegt, beträgt die maximale Stack-Spannung mehrere 100 V. Üblicherweise werden mehrere Stacks zu einem Block zusammengefasst, so dass die Maximalspannung für einen Block 1000 V DC überschreiten kann. Durch alle Stacks fließt ein Strom von bis zu 100 A DC.

Um Funktionsstörungen im Elektrolyseur zu detektieren, werden die Spannungsunterschiede zwischen den Stacks kontinuierlich gemessen. Knick-Hochspannungs-Trennverstärker erkennen in kürzester Zeit selbst kleinste Spannungsunterschiede zwischen den Stacks und melden sie an die nachgelagerte Anlagensteuerung.

Die Gerätefamilie der Hochspannungstrennverstärker von Knick hat sich in Photovoltaikanlagen und in der Verkehrsinfrastruktur mit ihren sehr hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Dauerfestigkeit bewährt. So gibt Knick bei der Produktreihe »ProLine P40000« einen MTBF-Wert von nicht weniger als 2000 Jahren an, die aus der Betriebsdauer installierter Komponenten dieser Baureihe errechnet wurde. Damit eignen sich diese Trennverstärker auch für den Betrieb in Elektrolyseuren, die meist unbeaufsichtigt an entfernten Standorten und mit maximaler Systemverfügbarkeit gefahren werden.

Für die Messung der Ströme in den Stacks muss eine Beschädigung der Messtechnik bei Kurzschluss unbedingt vermieden werden. Hier bietet sich eine Kombination aus Hochspannungs-Trennverstärker und Shunt-Widerstand an, mit der Ströme bis zu 20 000 A präzise gemessen werden können.

Überwachung von Sensorverschleiß und Ablagerungen

Um Salzablagerungen auf Membranen und an Elektroden der PEM-Elektrolyseure zu vermeiden, muss die Qualität des Prozesswassers kontinuierlich überwacht werden. Auch für dieser Aufgabe liefert Knick komplette Messtechniksysteme. Dabei kann Knick seine Erfahrung aus der Prozessanalytik in Kraftwerken und in der chemischen Industrie ausspielen. Mit seinem umfangreichen Portfolio an Sensoren, Transmittern und Armaturen bis hin zu automatischen Sensor-Wartungssystemen lassen sich alle pH- und Leitfähigkeitsmessungen an die Anforderungen der Elektrolyse anpassen. Die Knick Transmitter überwachen den Sensorverschleiß und kommunizieren die Messwerte über Profibus, Profinet, Foundation Fieldbus und Ethernet/IP an die übergeordneten Steuerungen und Leitsysteme.


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