Die Vorgehensweise: Zusammenschaltung von Containern
Abb. 1 Phoenix Contact ermöglicht eine Überwachung, Automatisierung und Digitalisierung der Elektrolyse mit den dazugehörigen Prozessen und Anlagen (Quelle: Enapter)
Abb. 2 Schaltschrank mit der kompletten Steuerungstechnik des Elektrolyse-Stacks (Quelle: Phoenix Contact)
Derzeit entwickeln erste Hersteller wasserstofferzeugende Elektrolyseure als Containerlösung, deren Bau bislang meist in Einzelfertigung erfolgt. Diese Standardsysteme sollen im Rahmen eines modularen Designs zu Gigawatt-Anlagen zusammengeschaltet werden können. Eine effiziente Massenproduktion der Container ist nur durch industrielle Herstellungsmethoden möglich. Anbieter von Verbindungs- und Automatisierungstechnik, die wie Phoenix Contact sowohl die Anforderungen in der Pilotphase als auch die Massenfertigung abdecken, unterstützen bei der Komponentenauswahl. Darüber hinaus stellen sie Dienstleistungen rund um das Engineering, Design und die Software zur Verfügung und beraten zum Thema Prozesssicherheit (Abb. 1).
Am Beispiel des Elektrolyseursystems AEM Multicore der Enapter AG wird die Komplexität dieser Aufgabe deutlich. Beim AEM Multicore handelt es sich um ein System der Megawattklasse, das Hunderte von AEM-Stacks (Anion Exchange Membrane/Anionenaustauschmembran) enthält. Mit dieser Art von Elektrolyse soll die Wasserstoffproduktion durch regenerativen Strom massentauglich gemacht werden. Als Herzstück umfasst die AEM-Zelle eine ionenleitende, mit einem Katalysator beschichtete Membran, die im Vergleich zum ähnlichen PEM-Verfahren erheblich günstiger ist. Anstelle von Hydroniumionen respektive Protonen (H+) bewegen sich Hydroxidionen, die durch die elektrolytische Spaltung von Wasser entstanden sind, durch die Membran. Dort bilden sich daraus Sauerstoff und Wasser. Wasserstoff bleibt auf der Kathodenseite und wird abgeleitet.
Die Umsetzung: Steuerung aller Prozesse durch das offene Ecosystem PLCnext Technology
Da die Lösung von Enapter skalierbar ist, eignet sie sich gut für die Serienfertigung. Beim AEM Multicore werden 420 dieser Stack-Module in einem Container zusammengeschaltet. Der Container liefert dann täglich bis zu 450 kg Wasserstoff, was einem Energieäquivalent von 9,5 Barrel respektive 1.510 l Rohöl entspricht. Im Container befindet sich weiteres prozesstechnisches Equipment, etwa Tanks mit der Elektrolyselösung, Pumpen und Gastrockner. Ein separater Raum (PSU Compartment) beinhaltet die elektrischen und elektronischen Systeme des Elektrolyseprozesses.
Von der kompletten Steuerungstechnik bis zur Gleichstromversorgung der Elektrolyse-Stacks kann Phoenix Contact die jeweils erforderlichen Schaltschränke mit eigenen Produkten ausstatten. Bei Bedarf werden betriebsfertige Schaltschränke angeboten. Dieser Service kommt insbesondere Unternehmen entgegen, die beim Bau eines Prototyps schrittweise ihr Wissen über die Anlagenautomation und die dazu notwendigen Komponenten – wie CPUs, I/O-Module oder Leistungselektronik – erweitern möchten (Abb. 2).
Nicht nur die Wasserstoffherstellung selbst wird von der Schaltzentrale im Container gesteuert. Zudem müssen die Füllstände in den Tanks überwacht und die Elektrolyte geregelt zugeführt werden. Ventilatoren, Lüftung und die Wasservorbehandlung sind zu steuern sowie das elektrische Lastmanagement und sicherheitsgerichtete Anwendungen inklusive Notabschaltung sicherzustellen. Die entsprechenden Aufgaben lassen sich durch die PLCnext Technology abdecken, denn moderne Prozesse verdienen offene und daher zukunftsgerichtete Steuerungsplattformen. Die Lösung von Phoenix Contact unterstützt ferner Instandhaltungskonzepte auf der Grundlage von Diagnosesignalen. Neben der Steuerungshardware kommen in den Containerschaltschränken Ex-Schutz-Komponenten des Unternehmens zum Einsatz, beispielsweise eigensichere I/O-Module mit Anschlussmöglichkeiten für Sensoren und Aktoren bis in Zone 0 (Abb. 3).