Sichere Automatisierung von Wasserstoffanlagen

Wenn es um den Ersatz fossiler Brennstoffe geht, wird derzeit kein Thema so heiß diskutiert wie grüner Wasserstoff. So will beispielsweise die chemische Industrie in der Produktion auf den CO2-neutralen Rohstoff und Energieträger setzen. Auch bei anderen großen CO2-Emittenten, wie den Herstellern von Beton und Stahl, könnte Wasserstoff einen großen Beitrag zur Dekarbonisierung leisten. Nicht zuletzt wird Wasserstoff außerdem im Bereich Transport, Logistik und Verkehr eine entscheidende Rolle einnehmen.
Für die Transportbranche stellt Wasserstoff bereits heute eine vielversprechende Lösung dar, sodass in der Schweiz die ersten Wasserstoff-Lkws eingesetzt werden und auch die Deutsche Bahn die ersten wasserstoffgetriebenen Züge auf die Gleise bringt. Die Vorteile von Wasserstoff gegenüber Batterien werden vor allem beim einfacheren Tanken sowie bei den weitaus höheren Reichweiten ersichtlich.

Um die benötigten Mengen an Wasserstoff für Verkehr und Industrie produzieren zu können, muss die Produktion von grünem Wasserstoff daher weiter ausgebaut werden. Grüner Wasserstoff wird durch Wasser­elektrolyse, welche mit Hilfe von Strom aus erneuerbaren Energien Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt, gewonnen. Aufgrund des im Vergleich zu anderen Energieträgern leichteren Transports könnten solche Wasserstoffproduktionen zukünftig auch in strukturell schlecht angebundenen Gebieten entstehen – und Länder mit viel Potenzial für erneuerbare Energien zu Wasserstoff-Exporteuren werden.

Wasserstoffanlagen stellen besondere Anforderungen an die Automatisierung. Um sich diesen Herausforderungen zu stellen, arbeitet Beckhoff Automation als Hersteller von Automatisierungstechnik seit einigen Jahren eng mit verschiedenen namhaften Unternehmen aus der Wasserstoffbranche zusammen. Dazu gehört auch das Unternehmen Nel Hydrogen, der weltweit größte Anbieter von Elektrolyseuren. Durch die Übernahme des dänischen Unternehmens H2 Logic im Jahr 2015 kam auch das Know-how für schlüsselfertige, standardisierte Wasserstofftankstellen mit Zapfsäulen für Pkw, Busse, Lkw und Gabelstapler hinzu. Hier setzt Nel Hydrogen auf die offene Steuerungslösung von Beckhoff.

Die hoch skalierbaren Industrie-PCs können jede Steuerungsaufgabe übernehmen. Durch die Verwendung von Standardkomponenten auf speziell entwickelten Motherboards sind sie immer mit der neusten Chip-Technologie ausgestattet. So können Anwender zum einen die Steuerung projektbezogen skalieren und zum anderen bekommen sie stets den aktuellen Stand der Technik. Mit Windows oder BSD sind zudem Standardbetriebssysteme im Einsatz, die es erlauben, nahezu jede gewünschte Software einzusetzen. Dies erleichtert auch die einfache Integration beispielsweise von Bezahlsystemen oder anderen Fremdprogrammen in die vorhandene Steuerung.
Auch die verwendete Automatisierungssoftware Twincat ermöglicht es, vielfältige Steuerungsaufgaben zu realisieren. Dies wird durch zahlreiche offene Schnittstellen wie beispielsweise die Anbindung von Matlab/Simulink unterstützt. Durch die Integration in Visual Studio kann darüber hinaus in einer bekannten Umgebung programmiert werden.

Jacob Svendsen, Chefarchitekt bei Nel Hydrogen, schätzt diese offene Automatisierungslösung: „Dank der Implementierung der Twincat-Umgebung in Visual Studio und der Möglichkeit zu objektorientierter Programmierung ist das Programmieren ein Kinderspiel. Wir können Codes von verschiedenen PLCs und Codes in verschiedenen CPU-Skalierungen wiederverwenden und sparen dadurch Zeit und Ressourcen.“ Sein Unternehmen profitiere von schnellen Abtastraten, um Regelungen, Diagnosen, Reporting und sichere Shutdowns bei Leckagen besser steuern zu können. „Gleichzeitig können wir den Energieverbrauch jeder einzelnen Komponente reduzieren“, ergänzt Svendsen.

Eine besondere Herausforderung ist Wasserstoff vor allem wegen seiner hohen Explosionsgefahr. Folglich müssen in vielen Bereichen einer Wasserstoffanlage die Automatisierungskomponenten für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen ausgelegt sein. Für diese Anforderungen bietet Beckhoff mit der PC-basierten Steuerungstechnik ein umfangreiches Portfolio an zertifizierten Komponenten für wasserstoffexplosionsgefährdete Bereiche bis in Zone 0.

So ist es etwa mit den Ethercat-Klemmen der ELX-Serie möglich, eigensichere Sensoren und Aktoren aus Zone 0 direkt in das Steuerungssystem zu integrieren. So werden keine zusätzlichen Sicherheitsbarrieren zur Integration der Eigensicherheit benötigt. Das reduziert Kosten, Aufwand und Platzbedarf. Außerdem lassen sich mit dem System bis zu acht eigensichere Signale auf nur 12 mm erfassen und somit ein sehr kompaktes Steuerungssystem umsetzen. Darüber hinaus können die Klemmen modular mit anderen I/Os beispielsweise für hochpräzise Messungen oder funktionale Sicherheit kombiniert werden, sodass die Signalerfassung für vielfältige digitale und analoge Signale auf einer einzigen Plattform realisierbar ist.

Durch Explosionsschutz-Zertifizierungen für Embedded-PCs sowie Control Panel und Panel-PCs ist es möglich, die Steuerung im Feld zu installieren, wo die Daten erfasst und direkt ausgewertet werden können. Außerdem wird eine Visualisierung des aktuellen Anlagenzustands sowie wichtiger Kennzahlen und Informationen an der Anlage ermöglicht. Alternativ lassen sich auch zertifizierte Feldbuskoppler im Feld installieren, sodass die Daten im Feld erfasst, aber zentral in der Leitwarte ausgewertet werden. Je nach Applikation lassen sich somit unterschiedliche Steuerungsarchitekturen in den explosionsgefährdeten Bereichen einer Wasserstoffanlage realisieren.

Vor allem wenn man dezentrale Wasserstoff-Produktionsstätten oder -tankstellen betreiben will, benötigt man weltweiten Fernzugriff. Durch die offene PC-basierte Steuerungstechnik ist dies möglich. Mit der Erweiterung der klassischen Steuerungsaufgaben ermöglichen Anwendungen wie Big Data und Analytics im Zusammenhang mit IoT-Komponenten zukunftsfähige Automatisierungslösungen.

Zum einen kann durch die standortübergreifende Vernetzung eine cloudbasierte Datenanalyse erfolgen, welche im Zusammenhang mit zuverlässigen Predictive-Maintenance-Konzepten die Verfügbarkeit erhöhen und Stillstandzeiten reduzieren kann. Zum anderen müssen Systeme auch per Fernzugriff gewartet und angepasst werden. Durch das Cloud Engineering können Engineering und Runtime beispielsweise direkt über einen einfachen und sicheren Zugriff in der Cloud instanziiert und verwendet werden. Mit PC-based Control lassen sich somit die in Zukunft benötigten Wasserstoffanlagen sicher, effizient und offen automatisieren – auch Bestandsanlagen können ausgerüstet werden.