Durchflussmessung in der PEM-Elektrolyse in Wunsiedel

Die Erzeugung „grünen“ Wasserstoffs aus erneuerbaren Energien und Wasser ist eine Schlüsseltechnologie zur Dekarbonisierung der Energiewirtschaft. Deswegen steht dieses Thema im Fokus zahlreicher Projekte aus Industrie und Forschung. In Wunsiedel forscht das Zentrum für Energietechnik (ZET) der Universität Bayreuth an der Entwicklung eines ganzheitlichen Konzepts „Power-to-Gas“ für das Energiesystem der Zukunft. Im Energiepark Wunsiedel steht hierfür eine 8,75-MW-Wasserstoff-Erzeugungsanlage zur Verfügung, die im Herzstück der Anlage, dem PEM-Elektrolysestack, mithilfe von elektrischer Energie und Wasser Wasserstoff produziert.
Betrieben wird die Anlage vom Unternehmen WUN H2. Das Forschungsprojekt „ZET-Reallabor Energiezukunft Wunsiedel“ wurde von der Oberfrankenstiftung mit 5 Mio. Euro gefördert. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts erarbeiten vier Lehrstühle der Universität Bayreuth innovative Lösungen realitätsnah an der Anlage.

Modellierung und Simulation benötigen zuverlässige Prozessdaten

„Um den Elektrolyseprozess in unseren Simulationsmodellen detailliert abbilden, analysieren und letztlich optimieren zu können, brauchen wir zuverlässige Daten“, erklärt Tim Herrmannsdörfer, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorand am ZET. „Wir müssen insbesondere wissen, wie viel Wasser für den Prozess und die Kühlung zugeführt und welche Mengen an Wasserstoff, Sauerstoff und Wärme unter welchen Einflüssen erzeugt werden.“ Nur mit diesen Prozessdaten lassen sich der PEM-Elektrolyse-Stack energetisch bilanzieren und daraus thermische Simulationsmodelle erstellen. Damit können zum Beispiel die Temperaturen der einzelnen Zellen des Elektrolyse-Stacks berechnet werden. Die Zelltemperaturen beeinflussen entscheidend die Effizienz des gesamten Stacks, weil die Lebensdauer der einzelnen Zellen des Stacks temperaturabhängig ist. Ein weiteres Thema ist die effiziente lokale Nutzung der Prozessabwärme, die den Gesamtnutzungsgrad signifikant steigern kann.

Siemens rüstete den PEM-Elektrolyseur sowohl mit den notwendigen Energieversorgungskomponenten als auch mit Komponenten zur Prozessautomatisierung wie dem Leitsystem PCS 7 und Messtechnik wie Gasanalysatoren und Messgeräten für Durchfluss, Druck, Temperatur und Füllstand aus.

Nachdem die Anlage bereits im Betrieb war, musste noch die Durchflussmessung des entmineralisierten Wassers im Elektrolyseur nachgerüstet werden. Auch dafür wurde eine passende Lösung gefunden: „Siemens hat hier die Ultraschalldurchfluss-Messung des Clamp-on-Messsystems Sitrans FS vorgeschlagen und gemeinsam mit uns eine einfache und leistungsfähige Lösung entwickelt“, berichtet Tim Herrmannsdörfer.

Schnell nachgerüstet durch Clamp-on-Technik

Sitrans FS230 besteht aus Ultraschallsensoren, die an der Rohraußenwand befestigt werden, und einem Messumformer, der an einer zugänglichen Stelle montiert werden kann. Die Sensoren sind in verschiedenen Ausführungen für universelle, hochgenaue oder hitzebeständige Anforderungen erhältlich. Für sicherheitsrelevante Anwendungen stehen auch Versionen mit Safety Integrity Level (SIL) 1 nach IEC 61508:2010 zur Verfügung.

Im Rahmen des Projektes wurden drei der Ultraschalldurchfluss-Messsysteme, bestehend aus jeweils einem Sensorpaar und einem Messumformer, mit lokaler Anzeige der verschiedenen Messdaten, Grafiken und Diagnosemöglichkeiten installiert. Zusätzlich können die Daten über Hart-Protokoll oder Modbus an ein Prozessleitsystem exportiert oder direkt im Messumformer auf einer SD-Karte gespeichert werden.

Gegenüber fest installierten Sensoren bietet die Clamp-on-Lösung in diesem Setting wesentliche Vorzüge: Die Sensoren werden mit Spannbändern von außen auf die Rohrleitung montiert. Das geht schnell, einfach und vor allem auch nachträglich. Die Rohrführung muss nicht verändert werden und der Betrieb kann weiterlaufen. Durch die Montage und das Messsystem gelangen keine Verunreinigungen in den Prozess. Die Sensoren kommen nicht direkt mit dem Medium in Berührung und verunreinigen es daher nicht. Dies ist wichtig bei Elektrolyseprozessen mit sehr hohen Anforderungen an die Wasserqualität. Bei invasiv eingebauten Sensoren könnten Metallionen freigesetzt werden, die die Elektroden beschädigen und den Elektrolyseprozess stören.

Die Clamp-On-Messung ist auch unter schwierigen Bedingungen absolut präzise und reproduzierbar. Bei kurzen Ein- und Auslaufstrecken sowie Rohrbögen vor und nach der Messstelle kann eine integrierte Kompensationsfunktion Fehler durch ungünstige Rohrleitungsverhältnisse ausgleichen. Die Sensoren können temporär oder permanent eingebaut werden. Es stehen Sensoren für Nennweiten von DN 10 bis DN 10.000 für Metall- oder Kunststoffrohre zur Verfügung. Das Gesamtsystem ist flexibel, robust und wartungsarm. Das spart Kosten und erhöht die Sicherheit. „Für uns war und ist es wichtig, auch den Durchfluss von nicht leitfähigen Medien wie demineralisiertem Wasser zuverlässig erfassen zu können“, erklärt der Projektleiter Dr.-Ing. Matthias Welzl. „Das ist mit anderen Messprinzipien leider nicht möglich.“ Die Ultraschalltechnik macht es möglich.

Die Praxis profitiert

„Alles in allem ist es eine wirklich einfach zu integrierende und leistungsfähige Lösung“, sagt Dr.-Ing. Matthias Welzl, Akademischer Rat und Projektleiter am Zen­trum für Energietechnik der Universität Bayreuth. „Diese drei Durchflussmessungen sind ein wichtiger Input für unsere Simulationsmodelle. Die Simulationsergebnisse fließen dann in die reale Anlage zurück und ermöglichen es, den Elektrolyseprozess zu optimieren und damit die Prozesseffizienz und die Lebensdauer der Anlage zu erhöhen.