Messtechnik Wasserstoffwirtschaft: Maximale Sicherheit mit modernster Mess- und Sensortechnik

Der Hochlauf der globalen Wasserstoffwirtschaft ist als wichtiger Bestandteil der Energiewende in vollem Gange. Jumo will an dieser Entwicklung partizipieren, fokussiert sich als System- und Lösungsanbieter auf die Anforderungen der Wasserstoffwirtschaft und richtet das Produktportfolio konsequent darauf aus. 

Die Europäische Kommission hat mit dem europäischen Green Deal die Maßgabe gesetzt, bis 2050 keine Netto-Treibhausgase mehr auszustoßen. Europa soll damit der erste klimaneutrale Kontinent werden. Aber auch in den USA und Kanada sowie im asiatisch-pazifischen Raum sind die Bemühungen groß, den Übergang zu einer modernen, ressourceneffizienten und wettbewerbsfähigen Wirtschaft einzuleiten. Der Ausbau der erneuerbaren Energien steht dabei in direktem Zusammenhang mit dem Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft. Um klimaneutralen grünen Wasserstoff zu erzeugen, muss die dafür benötigte elektrische Energie aus erneuerbaren Energiequellen stammen. Brückentechnologien zur Erzeugung von Wasserstoff werden für den Hochlauf zweifelsohne notwendig sein.

Deutschland formuliert in der „Fortschreibung der Nationalen Wasserstoffstrategie“ die EU-Wasserstoffstrategie für sich aus. Analog tun dies auch andere europäische Länder, beispielsweise Frankreich im Rahmen des Plans „France 2030“. Dabei ist das Jahr 2030 stets ein Meilenstein für den Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft. So will die Europäische Kommission bis dahin die Netto-Treibhausgasemissionen im Vergleich zu 1990 um mindestens 55 % senken.

Einsatzbereiche von sauberem Wasserstoff in der Wasserstoffwirtschaft

Wasserstoff spielt aus mehreren Gründen eine entscheidende Rolle für die Energiewende. Er ist ein vielseitiger Energieträger, der sauber erzeugt werden kann und bei der Verbrennung oder Nutzung in Brennstoffzellen nur Wasser als Nebenprodukt hinterlässt. Das macht ihn zu einer attraktiven Alternative zu fossilen Brennstoffen und trägt zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen bei. Ein weiterer Grund für die Bedeutung von Wasserstoff liegt in seiner Speicherfähigkeit. Er kann als Langzeitspeicher für Energie dienen, idealerweise für überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energiequellen. Durch Elektrolyse lässt sich Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten, wobei der erzeugte Wasserstoff gespeichert und bei Bedarf wieder in Strom oder Wärme umgewandelt werden kann. Darüber hinaus bietet Wasserstoff die Möglichkeit, Sektoren zu dekarbonisieren, die schwer elektrifizierbar sind, zum Beispiel den Schwerlastverkehr, die Schifffahrt, Luftfahrt und Stahlherstellung. Mit der Nutzung von Wasserstoff als Energiequelle, können diese Branchen ihre Emissionen drastisch reduzieren und dem Ziel der Klimaneutralität dienlich sein.

Erfolgsfaktoren für die Wasserstoffwirtschaft sind weitere Fortschritte in der Technologie, wettbewerbsfähige Kosten, eine verbesserte Infrastruktur für die Herstellung, Speicherung und Verteilung von Wasserstoff sowie eine verstärkte Zusammenarbeit zwischen Regierungen, Unternehmen und Forschungseinrichtungen.

Technische Anforderungen im Blick

Der Einsatz von Wasserstoff als Energieträger bringt spezifische Materialanforderungen mit sich, die eine zentrale Rolle für die Sicherheit, Effizienz und Langlebigkeit der Systeme spielen. Da er bei hohem Druck und in manchen Fällen auch bei hohen Temperaturen gehandhabt wird, sind Materialien erforderlich, die diesen Bedingungen standhalten. Wasserstoff kann in bestimmte Materialien eindringen und deren Struktur verändern, was zu Rissen und Brüchen führen kann. Um die Wasserstoffaufnahme zu reduzieren und die langfristige Materialbeständigkeit zu bewahren, sind daher spezielle Legierungen, Beschichtungen oder Materialkombinationen erforderlich. Innovative Herstellungsverfahren und langjährige Erfahrung mit Wasserstoff sind von großem Vorteil, die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Effizienz von Wasserstofftechnologien sicherzustellen. Auch in der Peripherie derartiger Technologien sind neue Anforderungen entstanden. So ist zum Beispiel für den Betrieb eines Elektrolyseurs Reinstwasser von sehr hoher Güte erforderlich. Reinstwasser wird von einem Elektrolyseur unter Einsatz elektrischer Energie zu Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.

Reinstwasserüberwachung im Elektrolyseur

Für Elektrolyseure gibt es unterschiedliche Bauformen. Gemeinsam ist ihnen, dass sie als Eingangsgröße mit Reinstwasser arbeiten. Im Elektrolyseur gibt es eine positive (Anode) und eine negative (Kathode) Elektrode, die in das Wasser getaucht werden. Wird elektrischer Strom durch das Wasser geleitet, spaltet sich das Reinstwasser an den Elektroden in die Bestandteile H2 und O2 auf. Die erzeugten Gase werden separat gesammelt und können für verschiedene Anwendungen oder zur Speicherung verwendet werden. Bei PEM-Elektrolyseuren beispielsweise trennt eine Membran die Anode und die Kathode, um den Sauerstoff und Wasserstoff zu trennen, während bei alkalischen Elektrolyseuren eine Lösung als Elektrolyt dient und gleichzeitig die Ionen zwischen den Elektroden transportiert.

Eine wichtige Mess- und Steuergröße für Elektrolyseure ist die Reinstwasserqualität am Eingang, die mit konduktiven Leitfähigkeitsmesssonden ermittelt wird. Die stetige Überwachung schützt nicht nur vor Beschädigungen, sondern ermöglicht auch eine lange Haltbarkeit der Komponenten und trägt so zur Verlängerung der notwendigen Wartungsintervalle bei.

Sicher, zuverlässig, explosionsgeschützt

Auch Jumo registriert eine deutliche Belebung des Wasserstoffgeschäfts und sieht enorme Wachstumschancen in diesem Bereich. Das Unternehmen passt seine Produkte für den Einsatz im Wasserstoff an und zertifiziert diese, wo notwendig. Die vorhandenen Fertigungsanlagen mussten dafür nur geringfügig modifiziert werden, und die nötigen Stückzahlsteigerungen lassen sich oft aus der Produktionsreserve erreichen.

Der Umgang mit Wasserstoff erfordert umfangreiche Sicherheitsvorkehrungen und messtechnische Expertise, sei es bei der Herstellung von Reinstwasser für die Speisung des Elektrolyseurs oder der Überwachung der elektrolytischen Leitfähigkeit. Digitale Druck- und Temperatursensoren von Jumo gewährleisten die Überwachung der thermodynamischen Prozesse und bieten eine sichere, zuverlässige Technik, die zudem explosionsgeschützt ist. Jumo beliefert zum Beispiel Dax-notierte Unternehmen der deutschen Industrie, die den Applikationen in ihren Anlagen verbauen. Im Portfolio für Wasserstoffanwendungen findet sich mit „tecline CR/digiline CR“ eine zuverlässige Lösung für entsprechende Messaufgaben. Als Entwicklungspartner für Sensor- und Automatisierungslösungen bietet Jumo zudem individuelle Systemlösungen für kundenspezifische Elektrolyseurkonzepte an.

Wasserstoffwirtschaft: Die Zukunft

Wasserstoff dient schon seit Jahrzehnten als wichtiger Rohstoff in verschiedenen Industriezweigen. In der chemischen Industrie wird er zur Herstellung von Ammoniak, Methanol und anderen Produkten verwendet, in der Ölraffinerie findet er Einsatz für die Entschwefelung von Treibstoffen. Die klimaneutrale Herstellung von Wasserstoff ermöglicht die Dekarbonisierung existierender Industriezweige und eröffnet mit neuen Anwendungen große Chancen, das Ziel der Klimaneutralität zu erreichen. So hat die energieintensive Schwerindustrie damit begonnen, die Weichen auf Wasserstoff als Brennstoff für die Stahlproduktion zu stellen, um derart die CO2-Emissionen zu reduzieren.

Wasserstoff als Schlüsselelement für sektorübergreifende Energieeffizienz

Im Transportsektor wird Wasserstoff als Treibstoff der Zukunft für Brennstoffzellen betrachtet. Insbesondere im Schwerlastverkehr, bei Bussen und Bahnen, in der Schiff- und Luftfahrt wird Wasserstoff oder eines seiner Derivate als Energiequelle vorangetrieben. Im Energieversorgungsnetz kann Wasserstoff als Langfristspeicher dienen, Schwankungen bei der Stromerzeugung ausgleichen oder über das Gasnetz verteilt und in Wärme umgewandelt werden. Weiteres Potenzial entfaltet sich bei der flächendeckenden Anwendung im Zuge der Sektorenkopplung: Wasserstoff ist das Bindeglied von Power-to-X-Technologien. Seine Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten werden den Weg bereiten, die Sektoren Stromerzeugung, Wärmeversorgung sowie Verkehr und Industrie effizient miteinander zu verbinden und den Gesamtwirkungsgrad dieses Systems durch Synergieeffekte zu steigern.