Bild 01: Long Ridge Energy verwendet ein Wasserstoff-Einspritzsystem mit Mischungsvalidierung von Endress+Hauser. (Quelle: Endress+Hauser)
Die Energiewende stellt unter anderem Betreiber von Gaskraftwerken vor große Herausforderungen: Einerseits sollen sie hochflexibel die Strom- und Wärmeversorgung absichern, wenn regenerative Energieträger, wie Wind oder Sonne, nicht in ausreichendem Maß zur Verfügung stehen. Andererseits setzen sie durch das Verbrennen des fossilen Energieträgers selbst schädliches Kohlendioxidfrei, wodurch sie das Erreichen der weltweiten Klimaschutzziele infrage stellen. Ein großes Schlagwort in der Energiebranche lautet deshalb derzeit: H2-Readiness. „Betreiber wollen ihre Anlagen bereit für Wasserstoff machen. Das Gas soll dabei in immer größeren Mengen dem Erdgas bei gemischt werden, um den Gesamt-Kohlenstoffgehalt des Brennstoffs zu senken“, erklärt Cory Marcon, Branchenmanager für Kraftwerke und Energie bei Endress+Hauser [1] in den USA. Irgendwann, so die Erwartung der Branche, kann Wasserstoff das Erdgas ganz ersetzen. Wird dieser dann auch noch per Elektrolyse mithilfe von Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt, würden die Kraftwerke CO2-neutral arbeiten.
Auf die Prozessseteuerung kommt es an
Ein Vorreiter auf diesem schrittweisen Weg in Richtung Dekarbonisierung ist das kombinierte Gas- und Dampf-Kraftwerk von Long Ridge Energy [2] in Hannibal im US-Bundesstaat Ohio. Die 485-MW-Anlage im Appalachen-Becken am Ohio River hat im Oktober 2021 ihren Betrieb aufgenommen und wurde als eine der ersten Anlagen der Welt speziell mit dem Ziel errichtet, reinen Wasserstoff in Verbindung mit Erdgas zur Befeuerung der Turbine zu nutzen. Dafür braucht es vor allem eine gute Prozesssteuerung: „Wasserstoff ist hochreaktiv und weist ganz andere Brenneigenschaften als Erdgas auf. Zu den Herausforderungen gehören unter anderem Verbrennungsinstabilitäten und zu hohe Stickstoffoxid-Bildung. Außerdem zeichnet sich Wasserstoff aufgrund seiner geringeren Dichte auch durch einen niedrigeren volumetrischen Heizwert aus. Daher muss die Mischung exakt gesteuert werden, um die Anlage sicher und wirtschaftlich zu betreiben“, erläutert C. Marcon. Dabei geht es vor allem darum, die jeweils maximal mögliche Beimischungsmenge nicht zu überschreiten.
Long Ridge Energy suchte deshalb nach einem genauen Wasserstoff-Einspritzsystem mit Mischungsvalidierung, das mit moderner Messtechnik arbeitet und auch für die Skalierung des Betriebs geeignet ist. Dafür vertraute der Energieerzeuger auf Endress+Hauser (Bild 1). Bei der Lösung der Aufgabe kamen gleich mehrere innovative Technologien zum Zug: Am Wasserstoff-Einspritzpunkt wurde das Coriolis-Durchflussmessgerät Promass Q installiert (Bild 2). Es misst selbst unter schwankenden Prozessbedingungen hochgenau Massefluss, Dichte und Volumenstrom. Damit wird sichergestellt, den Wasserstoff gleichmäßig einzuspritzen. Stromabwärts ist ein Coriolis-Durchflussmesser Proline Promass F verbaut, um den Gasfluss in der Hauptleitung zu überwachen. Ein für den Ex-Bereich zertifizierter Raman-Analysator Rxn5 (Bild 3) bestimmt gleichzeitig inline die Zusammensetzung des Gasgemischs und dessen Energiegehalt. So lässt sich der Brennstoffmix beinahe in Echtzeit validieren und ein Überschwingen des Wasserstoffs verhindern, was zu Beschädigungen am Verbrennungssystem führen könnte.