Die Einsatzmöglichkeiten von Wasserstoff sind vielfältig: Nachhaltig produzierter Wasserstoff, sogenannter grüner Wasserstoff, spielt in energieintensiven Produktionsstätten, wie der Chemie- oder Stahlproduktion, eine wichtige Rolle, da er fossile Brennstoffe ersetzen und CO₂-Emissionen reduzieren kann. Zudem lässt er sich speichern und im Bedarfsfall wieder verstromen oder als Treibstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge nutzen. Damit birgt Wasserstoff als Energieträger großes Potenzial für den Klimaschutz. Bei der Herstellung und Handhabung von Wasserstoff gibt es jedoch Risiken, denn das Gas ist farb- und geruchlos und gleichzeitig hochentzündlich. Für Maschinen- und Anlagen im Bereich der Wasserstoffanwendungen gelten daher besondere Sicherheitsanforderungen.

Gasdichtheit, Robustheit von Absperreinrichtungen sowie Druckfestigkeit und Dichtigkeit von Rohren, Sensoren und Ventilen sind in der Wasserstoffindustrie von großer Bedeutung. Ein Gasleck, zu hoher Druck oder ein undichtes Ventil können ernste Folgen für Mensch, Anlage und Umwelt haben. Die Automatisierungsindustrie stellt für die dynamische Überwachung von Prozessgrößen und ganzen Prozessabläufen Lösungen zur Verfügung. Zusätzlich zu den statischen Sicherheitseigenschaften der Komponenten können diese bewährten Automatisierungslösungen die dynamische Druck- und Temperaturüberwachung oder die sichere Einhaltung von Belastungsgrenzen nachgeschalteter Strukturen übernehmen.

Sicher produzieren: Elektrolyse und Dampfreformierung

Die unterschiedlichen Elektrolyseverfahren erfordern unterschiedliche sicherheitstechnische Betrachtungen. Für manche der Verfahren werden hohe Drücke und Temperaturen benötigt, die überwacht und geregelt werden müssen, um Unfälle zu vermeiden. Bei der PEM-Elektrolyse ist beispielsweise die Überdruckventilentlastung ein wichtiger Sicherheitsmechanismus, bei der sich das Ventil automatisch öffnet und überschüssiger Wasserstoff entweichen kann. Die sichere Kleinsteuerung PNOZMulti 2 von Pilz eignet sich hier aufgrund der hohen Messgenauigkeit der sicherheitstechnischen Werte, auf Basis derer eine Sicherheitsmaßnahme eingeleitet wird.
Neben der Drucküberwachung können weitere im Wasserstoffherstellungsprozess erforderlichen Sicherheitsfunktionen überwacht werden. Dazu gehören Temperatur, Füllstand sowie Gas- und Leckageerkennung. Bei Elek­trolyseuren überwacht das PNOZMulti 2 auch Gleichrichterspannung und -strom. Das ist wichtig, da zu hohe Spannungen oder Spannungen die Zellen schneller abnutzen und zu vorzeitigem Verschleiß führen können.

Die Dampfreformierung ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus kohlenstoffhaltigen Energieträgern und Wasser. Dabei reagiert ein Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas oder Methanol, unter hohen Temperaturen und Drücken mit Wasserdampf. Es entstehen Wasserstoff und Kohlendioxid. Dieses Verfahren erfordert hohe Temperaturen, die durch den Einsatz von Brennern erreicht werden. Die Norm „ISO 16110-1:2007: Wasserstofferzeuger unter Verwendung von Technologien zur Brennstoffaufbereitung - Teil 1: Sicherheitsnorm“ erläutert alle wesentlichen Gefahren wie EMV, elektrische Aspekte, Hochdruckaspekte oder die Verhinderung von Explosionen in Bezug auf die Sicherheit der Wasserstofferzeugung aus fossilen Brennstoffen. Die Kleinsteuerung PNOZMulti 2 Burner und das Automatisierungssystem PSS 4000 können nicht nur Temperaturen und Drücke sicher überwachen, sondern auch die sichere Steuerung und Überwachung der Feuerungstechnik übernehmen.

Tanken an der Wasserstofftankstelle

Ein wichtiges Einsatzgebiet von Wasserstoff ist der Antrieb von Fahrzeugen. Damit Wasserstoff als Treibstoff in Verbrennungsmotoren genutzt werden kann, braucht es die entsprechende Infra­struktur. Daher sind Wasserstofftankstellen entscheidend für die Entwicklung der Wasserstoffmobilität. Eine Wasserstofftankstelle besteht aus einem Kompressionsbereich, in dem das Gas auf bis zu 800 bar verdichtet werden kann, einem Kühlsystem, Hochdruckspeichertanks und der Zapfsäule. Die Einrichtung und Verwaltung einer Wasserstofftankstelle wird von den lokalen Behörden genehmigt und unterliegt den Vorgaben nationaler oder regionaler Gesetze. Zu den Sicherheitsfunktionen, die an der Wasserstofftankstelle berücksichtigt werden müssen, gehören die Wasserstoffleck-, Flammen- und Raucherkennung sowie die Temperatur- und Drucküberwachung. In Frankreich sorgt das Automatisierungssystem PSS 4000 von Pilz für die Sicherheit bei der Abgabe von Wasserstoff an mehr als zehn öffentlichen Tankstellen. Pilz Frankreich arbeitet dort seit 2023 mit dem Unternehmen Hydrogen Refueling Solutions (HRS) zusammen. Dank des dezentralen Aufbaus und den dezentralen Fail-Safe-Analogeingängen von PSS 4000 wird das gesamte System mit kurzen Verkabelungswegen modular aufgebaut.

Industrial Security für Wasserstoffanwendungen

Mit der digitalen Vernetzung und dem dezentralen Aufbau von Anlagen und Systemen der Wasserstoffindustrie wird das Thema Industrial Security immer wichtiger. Dabei geht es um die Sicherheit von Steuerungsnetzwerken in Produktions- und Industrieanlagen. Um einen unberechtigten Zugriff auf das Steuerungsnetz zu verhindern, müssen potenzielle Schwachstellen rechtzeitig erkannt und behoben werden. Ein Beispiel ist der Fernzugriff auf einen Container für die Wasserstoffproduktion, die den Status des Systems überprüft. Wenn die Gefahr besteht, dass über diese Verbindung sicherheitsrelevante Teile des Systems unerlaubt verändert werden können, muss dieser Anlagenteil besonders abgesichert werden. Systeme für Zugangs- und Berechtigungsmanagement, wie das IAM (identification and access management) von Pilz, unterstützen bei der Authentifizierung von Nutzern über die Betriebsartenwahl oder der Daten- und Netzwerksicherheit.

Fazit

Automatisierungslösungen können die mechanischen Sicherheitseigenschaften der Wasserstoffindustrie wertvoll ergänzen. Denn die funktionale Sicherheit betrachtet immer den gesamten Lebenszyklus von Sicherheitseinrichtungen. Eine durchgängige systematisch-funktionale Sicherheitsbetrachtung schützt Menschen, Anlage und Umwelt – angefangen bei der Herstellung des Energieträgers bis hin zur Verwendung an der Wasserstofftankstelle. Pilz ist zudem überzeugt davon, dass nur eine ganzheitliche Betrachtung von Safety und Security einen umfassenden Schutz gewährleistet.

Autor
Thomas Braasch, Key Account Manager