Maschinensicherheit Sicherer Umgang mit Wasserstoff

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Pilz GmbH & Co. KG

SPN Schwaben Präzision Fritz Hopf GmbH

WITTENSTEIN SE

ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH

Wasserstoff ist hoch entzündlich. Daher erfordern Produktion und Umgang mit Wasserstoff geeignete Sicherheitsmaßnahmen und sichere Überwachungssysteme. Mit seinen Automatisierungslösungen ermöglicht Pilz die sichere und wirtschaftliche Nutzung von Wasserstoff.

Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft. Seine Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig: Er kommt in der Industrie bei der Stahlerzeugung, der Chemie- oder Glasindustrie, bei der Mobilität als Treibstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge oder zur Rückverstromung zum Einsatz. Die Kehrseite des Energieträgers: Das Gas ist farb- und geruchlos und gleichzeitig hochentzündlich. Produktion und Umgang damit erfordern daher in besonderem Maße geeignete Sicherheitsmaßnahmen und sichere Überwachungssysteme.

Was immer wieder deutlich wird: Die gesellschaftliche Akzeptanz neuer Technologien ist direkt mit ihren Gefahren und der Beherrschung möglicher Fehler verbunden. Auch für diese neuen Anwendungsfelder ist es äußerst sinnvoll, auf die Erfahrungen aus der über 40-jährigen Geschichte der Funktionalen Sicherheit in der Industrie zurückzugreifen. Mit seinen Automatisierungslösungen macht Pilz die sichere und wirtschaftliche Nutzung von Wasserstoff möglich – über die gesamte Wertschöpfungskette des Energieträgers: von der H₂-Herstellung in Elektrolyseuren, der Speicherung und dem Transport, bis hin zur Verwendung in Brennstoffzellen oder Industriebrennern.

Effizient und sicher speichern und transportieren

Um Wasserstoff transportieren zu können, wird er stark komprimiert und in speziellen Hochdrucktanks auf Schiene, Wasser oder Straße transportiert. Schnelle Druckveränderungen – wie bei der Befüllung oder Entnahme von Wasserstoff oder auch bei Temperaturschwankungen – können bei wiederholtem Auftreten zu Spannungen im Verbundmaterial des Transportbehälters führen. Die Folge: Delamination des Materials (die einzelnen Schichten des Materials lösen sich voneinander ab), eine reduzierte Lebensdauer des Druckbehälters sowie Leckagen und schlimmstenfalls auch Explosionen. Zum Schutz der Wasserstofftanks und vor allem der Menschen im Umfeld der Übergabestellen, sind beim Befüllen und Entleeren der Tanks besondere Sicherheitsvorkehrungen notwendig.

Die bewährten und sicheren Steuerungen von Pilz überwachen mit fehlersicherer Analogwertverarbeitung diese Übergabeprozesse zuverlässig – und stoppen im Fehlerfall einen Befüll- oder Entleerungsvorgang. In Bremerhaven, Deutschland, setzt Energieunternehmen GP Joule auf die Sicherheitslösungen von Pilz: Dort verwandelt das Unternehmen überschüssigen Strom aus Windkraft in CO₂-neutralen Wasserstoff, speichert diesen in Tanks auf speziellen LKW-Anhängern und liefert so das leicht entzündliche Gas an Wasserstofftankstellen im Stadtgebiet. Dort tanken unter anderem Fahrzeuge der Bremerhaven Bus die grüne Energie. Das Be- und Entladen der Druckbehälter erfolgt an allen Übergabestellen gleichermaßen einfach, schnell und vor allem sicher.

Höchst genaue Messwerte

Die für eine H₂-Betankung oder -Speicherung kritischen Prozesswerte werden über sichere Analogsensoren erfasst und in eine Sicherheitssteuerung eingelesen. Bei einer Drucküberwachung im Bereich von 0 bis 1.000 bar ist die sicherheitstechnische Genauigkeit entscheidend für die Funktion der gesamten sicheren Überwachungskette. Risikobewertungen für Tube-Trailer Betankungen haben gezeigt, dass nur eine einprozentige Genauigkeit (hier: 10 bar) die Sicherheitsvorgaben erfüllen kann. In der Praxis wird oft die Angabe der Analogwert-Auflösung als ausreichend angesehen. Sie kann im Datenblatt zwar in einem akzeptablen Bereich erscheinen – für die Auslegung der Sicherheit ist sie jedoch nicht automatisch verwendbar! Es lohnt sich, genauer hinzuschauen.

Sensorik

Lösungen für eine effizientere Wasserstoffproduktion

Nach der Erfassung der Prozesswerte gilt es, diese nicht nur auf das Einhalten von absoluten (statischen) Grenzwerten zu überwachen, sondern vielmehr ihren dynamischen Verlauf zu erkennen und diesen gegebenenfalls zu begrenzen. Dazu sind komplexere Überwachungsfunktionen wie bspw. eine sichere Gradientenüberwachung erforderlich! Die Sicherheitssteuerungen überwachen mit dem Software-Baustein „Sichere Rampenüberwachung“ die Einhaltung relevanter Parameter respektive kritische Anstiegs- und Abfallwerte bei Druck-, Temperaturänderungen – und somit der Be- und Entladegeschwindigkeit des Wasserstoffs. Wird ein solcher Anstiegswert über- oder unterschritten, löst die sichere Steuerung eine notwendige Reaktion aus – beispielsweise wird ein Regler oder Kompressor gedrosselt oder auch ein Ventil komplett geschlossen.

Safety und Security ganzheitlich gedacht

Automatisierungslösungen können die klassischen, eher mechanisch dimensionierte Sicherheitseigenschaften der Komponenten in der Wasserstoffindustrie sinnvoll ergänzen. Denn die Funktionale Sicherheit betrachtet immer die sichere Reaktion des Prozesses und dies über den gesamten Lebenszyklus. Die OT-Security schützt die Verfügbarkeit von Anlagen und Maschinen vor Manipulationen und Fehlbedienung. Im Mittelpunkt: der Schutz von Anlagendaten und die Frage, welche Personen Zugriff auf einen Prozess erhalten. Speziell in der Betrachtung von Anlagen der kritischen Infrastruktur sind diese Funktionen elementar.

Pilz ist überzeugt davon, dass nur eine frühe und ganzheitliche Betrachtung von Safety und Security in der Wasserstoffindustrie einen umfassenden Schutz gewährleistet. Die sich entwickelnde Wasserstoff-Industrie kann dabei von den langjährigen Erfahrungswerten der Industrie profitieren.

* Armin Glaser ist Vice President Strategy and Cooperation bei der Pilz GmbH & Co. KG

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