Am meisten Wasserstoff wird derzeit in Erdölraffinerien eingesetzt. Aber auch bei der Herstellung von Ammoniak für Düngemittel nach dem Haber-Bosch-Verfahren wird eine beträchtliche Menge Wasserstoff verwendet. Das Gas wird außerdem bei der Herstellung vieler wichtiger Industriechemikalien eingesetzt, und auch in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie zur Herstellung von Vitaminen und gehärteten Ölen verwendet. In der Stahlindustrie wird Wasserstoff mit Inertgasen gemischt, um eine reduzierende Atmosphäre für Anwendungen wie die Direktreduktion von Eisenerz sowie die Wärmebehandlung und das Schweißen zu erzeugen. Das derzeit gebräuchlichste Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff ist die Dampfreformierung von Methan. Lediglich ein sehr kleiner Anteil des weltweit erzeugten Wasserstoffs ist bislang grün.
Die ehrgeizigen Dekarbonisierungsziele von Industrie und Politik führen dazu, dass der Markt für dekarbonisierten Wasserstoff derzeit rasant wächst. Leider sind die Kosten für die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse aktuell etwa viermal so hoch wie die Herstellung von grauem Wasserstoff. Es wird jedoch erwartet, dass die Kosten aufgrund von Skaleneffekten stetig sinken, so dass grüner Wasserstoff das eingesetzte Erdgas zunehmend ersetzen wird. Weitere Einsatzfelder für grünen Wasserstoff sind Brennstoffzellen für den Antrieb von Fahrzeugen oder die Herstellung von synthetischen Kraftstoffen (e-Fuels).
Einsatz von funktionalen Sicherheitslösungen mit Wasserstoff
HIMA-Aktivitäten entlang der Wasserstoff-Wertschöpfungskette (© HIMA Group)
Die Öl- und Gasindustrie nutzt Wasserstoff in verschiedenen Anwendungen und setzt in ihren Anlagen und Pipelines Sicherheitssysteme ein. Die HIMA Group bietet neben der industriellen Nutzung von H2 auch Sicherheitslösungen an. Diese Lösungen für die funktionalen Sicherheit können bei den genannten Wasserstoffanwendungen ohne besondere Modifikationen eingesetzt werden. Neue Herausforderungen entstehen allerdings aufgrund der physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff. Dazu zählt beispielsweise das insbesondere bei hohen Drücken auftretende Phänomen der Versprödung von Stahlrohren, das zu zusätzlichen Risiken führen kann. Um die resultierenden Risiken zu minimieren und die Sicherheit zu gewährleisten, müssen insbesondere Leckagen überwacht werden.
Herstellung von grünem Wasserstoff mit Windparks
Der Strom für die Herstellung von grünem Wasserstoff wird durch Windkraft oder Photovoltaik erzeugt. Für das Windparkmanagement – insbesondere für Offshore-Anlagen – sammelt und verarbeitet die Plattform SCADA+ alle relevanten Daten. Dieses Produkt bietet umfassende, benutzerfreundliche Funktionen, die ein effektives Windparkmanagement unterstützen. SCADA+ ist eine digitale Plattform von HIMA, die von Origo Solutions entwickelt wurde. Sie wird unter anderem in Leitwarten von Offshore-Windparks für die Überwachung und Steuerung sowie das Sicherheitsmanagement in Prozessanlagen eingesetzt wird.
Elektrolyseure stellen hohe SIL-Anforderungen
Aufgrund der besonderen Eigenschaften von Wasserstoff müssen bei Elektrolyseuren zahlreiche Sicherheitsanforderungen berücksichtigt werden: Not-Aus-Systeme dienen der Steuerung und Überwachung von Sicherheitsfunktionen wie Druck, Temperatur und Füllstand. Diese Sicherheitsfunktionen sind heute in der Regel SIL 2-zertifiziert. Mit einer größeren Anlagenkapazität steigt auch das von einem Elektrolyseur ausgehende Betriebsrisiko – insbesondere dann, wenn vor Ort größere Mengen Wasserstoff gelagert werden. Dies führt zu einem höheren Safety Integrity Level.
Sicherheitssysteme für den Transport und die Speicherung von Wasserstoff
Das größte Problem beim Transport und der Speicherung von Wasserstoff besteht darin, dass das H2-Molekül extrem klein ist und in die Gitterstruktur von Metallen eindringen kann. Diese Wasserstoffabsorption führt in legierten Stählen, wie sie in Rohrleitungen, Ventilen, Pumpen und Kompressoren verwendet werden dazu, dass deren mechanische Dauerfestigkeit sinkt. Durch die Versprödung kann es zu Brüchen und Schäden an Rohren und Behältern kommen, die zum Transport und zur Lagerung von Wasserstoff verwendet werden. Da Wasserstoff sehr leicht entzündlich ist, müssen Anlagenbetreiber sicherstellen, dass kein Wasserstoffgas unerwartet aus Rissen in Rohrleitungen oder Tanks austritt.
Weil Wasserstoff erst bei -253 °C flüssig wird, muss dem Gas für die Verflüssigung sehr viel Energie entzogen werden. Auch in Anlagen zur Wasserstoffverflüssigung müssen in den Anlagensteuerungen Sicherheitsfunktionen implementiert werden. Der Transport von flüssigem Wasserstoff erfordert Fahrzeuge und Behälter, die für den Transport sehr kalter Materialien ausgelegt sind und die entsprechend überwacht werden. Bevor der Wasserstoff eingesetzt werden kann, muss zur Regasifizierung schließlich wieder Energie zugeführt werden.
Das ‚HIMA Security Environment for Functional Safety` trennt Safety und Security. (© HIMA Group)
Sicherheitssteuerungen für Wasserstoffanlagen im Bahnbetrieb
In Anlagen zur Wasserstoffverflüssigung sind TMC-Systeme (Turbo Machinery Control) für Kompressoren und ESD-Systeme (Emergency Shut Down) für die Sicherheitsabschaltungen Bestandteil des HIMA-Portfolios. Im Bereich der Regasifizierung sind BMS (Burner Management Systeme) und ESD-Systeme gängige Sicherheitsanwendungen. Um das Risiko, das von einem möglichen Austritt des Gases, von Explosionen und Bränden für Menschen und Umwelt ausgeht zu reduzieren, sind weitere Sicherheitssysteme notwendig. Diese Aufgabe übernehmen Sicherheitssteuerungen und -systeme. Besonderes Augenmerk ist auf die Zuverlässigkeit von Notabschaltventilen zu legen, da diese für den sicheren Betrieb von Wasserstoffanlagen entscheidend sind und die hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Um solche Ventile sicher zu betreiben und zu überwachen, setzen Anlagenbetreiber in der Öl- und Gasindustrie die Technologie zur Implementierung von Überdruckschutzsystemen (HIPPS) ein. Auch im Bereich der Verkehrstechnik gewinnt Wasserstoff zunehmend an Bedeutung. Für den Bahnbetrieb bietet das Unternehmen die Automated Power Switchover-Lösung an, die von Sella Controls – A HIMA Company – entwickelt wurde.
Für nachhaltige Lösungen im öffentlichen Nahverkehr kommen verschiedene Energieträger in Betracht. In Gebieten, in denen elektrische Freileitungen vorhanden sind, ist Strom am effektivsten. Gebiete, in denen es keine Freileitungen gibt, können mit Wasserstoff abgedeckt werden. Auf elektrifizierten Bahnstrecken ist Strom der effektivste Energieträger. Auf anderen Strecken kann Wasserstoff als klimaneutrale Antriebsenergie eingesetzt werden.
Eine der technischen Herausforderungen dabei ist die Entscheidung, wann und wo der Stromabnehmer des elektrischen Versorgungssystems angehoben werden soll. Als Teil der SIL 2-zertifizierten TrackLink® 3-Applikationssuite bietet das Unternehmen eine Lösung an, mit der die Stromabnehmer automatisch und sicher angehoben und abgesenkt werden können. Dies ermöglicht es, je nach Infrastruktur entlang der Gleisstandorte den effektivsten Energieträger zu nutzen und gleichzeitig die Betriebssicherheit vollständig zu gewährleisten.
Pipeline-Management: Lecksuche in Wasserstoffpipelines
Der Markt für Wasserstoffpipelines wächst rasant, über 90 % davon in Europa und Nordamerika. Wasserstoffpipelines bergen im Vergleich zu herkömmlichen Erdgaspipelines deutlich erhöhte Gefahren und Risiken. Aufgrund der oben beschriebenen Tendenz zur Wasserstoffversprödung von Rohren, Ventilen und Speicherbehältern ist es notwendig, kontinuierlich auf Leckagen zu überwachen. Eines der wichtigsten Sicherheitssysteme in Rohrleitungsanwendungen ist das LDS (Leak Detection System).
FLOWorX wurde entwickelt, um die Herausforderungen des Managements und der Steuerung von Wasserstoffpipelines zu bewältigen. (© HIMA Group)
Ein Beispiel dafür ist die Pipeline-Management-Lösung FLOWorX, die häufig bei Wasser-, Öl- und Gaspipelines zum Einsatz kommen. Sie wurde nun auch für Wasserstoff-Anwendungen angepasst. Diese Lösung zur Leckerkennung und Ortung verwendet eine Kombination aus verschiedenen Messungen (Druck, Durchfluss und Temperatur) in Kombination mit einem mathematischen Modell der Rohrleitung, um das Verhalten des Wasserstoffs in der Pipeline zu modellieren. Anhand dieser Modelle erkennt das System Abweichungen von den normalen Betriebsbedingungen, die auf eine Leckage hindeuten könnten. Die Kombination dieses Ansatzes mit mehreren traditionellen Berechnungsmethoden zur Überwachung von Rohrleitungen (z. B. erweiterte Druckwellenmethode, Druckabfallmethode, kompensierte Volumenbilanz) überwachen und schützen die Rohrleitung in allen Betriebszuständen, einschließlich des stationären Betriebs, des An- und Abfahrens sowie des Stillstands.
Die Berechnung genauer mathematischer Ergebnisse erfordert hochpräzise Durchfluss-, Druck- und Temperaturmessungen, die auf den Wasserstoffbetrieb entlang der gesamten Pipeline zugeschnitten sind. Falls die Leckage-Erkennung zu einer bestehenden Automatisierungslösung hinzugefügt wird, müssen die Genauigkeit, Wiederholgenauigkeit und Scanzeit der Instrumentierung sowie die Datenverarbeitungszeiten an den vorhandenen SPS (Speicherprogrammierbare Steuerungen) oder angeschlossenen DCS (Distributed Control Systems) überprüft werden. Schon eine Verarbeitungszeit von 0,5 Sekunden würde bei der Leckzuordnung zu einer Ungenauigkeit von mehr als einem Kilometer führen. Um auch kleine Leckagen zu erkennen, ist bei der Druckmessung ein hoher Signal-Rausch-Abstand entscheidend.
Ohne ‚Security‘ gibt es keine ‚Safety‘
Mit der zunehmenden Nutzung von computergesteuerten Systemen und Netzwerken wächst das Risiko von Angriffen auf Security-Schwachstellen. Ohne ausreichende Sicherheitsmaßnahmen gibt es weder eine verlässliche Automatisierung noch funktionale Sicherheit. Einfach gesagt: „Es gibt keine funktionale Sicherheit ohne Security.“ Obwohl funktionale Sicherheit und OT-Sicherheit eng miteinander verknüpft sind, unterscheiden sie sich grundlegend und erfordern unterschiedliche Strategien.
Funktionale Sicherheit und Zuverlässigkeit der Automatisierung konzentrieren sich auf technische Fehlfunktionen nach festen Fehlermodellen. OT-Security hingegen befasst sich mit Schwachstellen, die durch Angriffe zu Funktions- oder Datenverlust führen können. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, verfolgt das Unternehmen das Konzept eines ‚Security Environment for Functional Safety`.
In der Praxis bedeutet dies, dass alle Komponenten einer Sicherheitslösung in einer gemeinsam geschützten Umgebung angeordnet sind. Hier sind alle Geräte auf einer bestimmten Ebene geschützt. So sind die für den Datenaustausch mit der Außenwelt geöffneten Schnittstellen begrenzt und abgesichert. Auf diese Weise wird die Nutzung auf das beschränkt, was zum Ausführen der gewünschten Funktionen erforderlich ist. Durch spezifische Gerätehärtungskonzepte und langfristige Serviceverträgen können Kunden einen sicheren Betrieb über lange Zeiträume aufrechterhalten.
