Was kann ich automatisieren?
Entlang der Wasserstoff-Wertschöpfungskette gibt es Anlagen und Prozesse, die automatisiert werden können, um die Effizienz, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit zu verbessern. Das umfasst die Produktion, Speicherung, Verteilung und Nutzung von Wasserstoff.
- Elektrolyseure: Automatisierung der Elektrolyseprozesse (z.B. PEM, alkalische Elektrolyse, Hochtemperatur-Elektrolyse), einschließlich der Steuerung des Energieverbrauchs, des Wasserflusses und der Optimierung der Betriebsparameter.
- Wasserstoffaufbereitung: Automatisierung der Prozesse zur Entfernung von Verunreinigungen und zur Erhöhung der Reinheit des Wasserstoffs, beispielsweise durch Druckwechseladsorption (PSA).
- Kompressoren: Automatisierte Steuerung und Überwachung der Kompression von Wasserstoff für die Speicherung oder den Transport.
- Wasserstoffspeicherung: Automatisierte Überwachung des Füllstands, Drucks und der Temperatur in Hochdrucktanks. Automatisierte Steuerung der Kühlung und des Druckmanagements bei der Speicherung von verflüssigtem Wasserstoff. Automatisierung der Lade- und Entladeprozesse sowie der Temperatur- und Druckregelung.
- Tankstelleninfrastruktur: Automatisierung der Betankungsprozesse, Überwachung des Füllstands und der Sicherheitsmechanismen in Wasserstofftankstellen für Fahrzeuge.
- Brennstoffzellenanlagen: Automatisierte Überwachung und Steuerung des Betriebs von Brennstoffzellen, einschließlich der Regelung der Gaszufuhr, Temperaturmanagement und Effizienzoptimierung.
In allen Prozessen werden mit Sensorik Prozessparameter wie Leitfähigkeit, Druck, Durchfluss oder Temperatur gemessen, und der Prozess wird über Aktorik (z. B. Ventiltechnik, Pumpen) gesteuert. Wenn diese Steuerung und Überwachung über eine Kommunikationsschnittstelle und Automatisierung erfolgt, spricht man von Prozessautomatisierung.
Welche Sensorik und Aktorik gibt es und welche Arten werden in Wasserstoffanwendungen verwendet?
Sensorik
Sensorik in Wasserstoffanwendungen erfasst physikalische Größen wie Druck, Temperatur, Leitfähigkeit und Durchfluss, die für die Steuerung von Prozessen wichtig sind. Es gibt zwei unterschiedliche Signalarten:
- Digitale Signale: Geben diskrete Werte aus, wie ein Ein-/Aussignal.
- Analoge Signale: Geben kontinuierliche Signale aus, z.B. 4-20 mA für fein abgestimmte Steuerungen.
Aktorik
Aktorik umfasst Komponenten, die physikalische Bewegungen in Prozessen ausführen, wie das Öffnen und Schließen von Ventilen oder das Ansteuern von Pumpen. Diese Aktoren werden durch elektrische Signale gesteuert.
Welche Kommunikationsschnittstellen kommen in Frage?
Zukunftsfähige Wasserstoffanlagen erfordern eine intelligente Vernetzung und Kommunikation zwischen Steuerungen, Sensoren, Aktoren und Überwachungssystemen. Um einen effizienten Austausch von Daten, Statusinformationen und Befehlen zu gewährleisten, sind verschiedene Kommunikationsschnittstellen erforderlich.
Typische Fieldbus-Systeme, die in solchen Anlagen zum Einsatz kommen, umfassen:
- Ethernet: Ein vielseitiges und weit verbreitetes Netzwerkprotokoll, das hohe Datenübertragungsraten und eine nahtlose Integration mit IT-Systemen ermöglicht.
- CAN Bus: (Controller Area Network): Ein robustes Protokoll für die Vernetzung von Steuerungen und Geräten in Echtzeitanwendungen, ideal für anspruchsvolle Automatisierungsaufgaben.
- Profibus: Ein etabliertes Feldbussystem, das schnelle und zuverlässige Kommunikation zwischen Prozessgeräten und Steuerungen bietet.
Diese Schnittstellen spielen eine zentrale Rolle bei der Integration und Automatisierung der komplexen Prozesse in Wasserstoffanlagen.
Welche Protokolle können verwendet werden?
In modernen Wasserstoffanlagen sind zuverlässige Kommunikationsprotokolle essenziell, um alle relevanten Prozessvariablen, Ausgabewerte und Diagnosedaten effektiv an die Steuerungssysteme (SPS) zu übertragen. Der Einsatz geeigneter Protokolle minimiert den Verkabelungsaufwand und gewährleistet eine stabile Datenübertragung.
Zu den wichtigsten Protokollen gehören:
- Profinet, EtherCAT, Modbus TCP/IP EtherNet/IP
- Profibus-DP, CANopen
- büS (Proprietärer CAN-basierter Bus für die effiziente Vernetzung und gebündelte Kommunikation zahlreicher Geräte an übergeordnete Steuerungen, erleichterter Gerätetausch) / EDIP(Anwendungsprotokoll)
Diese Protokolle gewährleisten eine effiziente und zuverlässige Kommunikation zwischen den verschiedenen Komponenten der Wasserstoffanlage und tragen zu einer effektiven Prozessautomatisierung bei.
Mehr Informationen zu den Protokollen finden Sie hier.
Wie kann ich automatisieren?
Eine Automatisierung lässt sich auf verschiedene Arten umsetzen: Zentral (mit und ohne Schaltschrank) oder auch dezentral. Welches Konzept eignet sich für Ihre Wasserstoffanwendung? Wir stellen Ihnen beide Konzepte vor und helfen Ihnen, die für Sie beste Lösung zu finden.
Zentrale Automatisierung
Aufbau
Je nach Ihren Anforderungen lässt sich ein verteiltes Automatisierungskonzept mit und ohne Schaltschrank in Ihrer Anlage realisieren.
Mit Schaltschrank automatisieren Sie dennoch schlank und ökonomisch, denn mit AirLINE Quick können Ventilinseln direkt an der Schaltschrankwand oder am -boden platziert werden. Daraus ergibt sich eine Reduzierung von Leitungen, sowie Kabeln und das wiederum spart auch Druckluft.
Fällt die Entscheidung auf eine schaltschranklose Variante, so bieten sich hier Ventilinseln mit hohen Schutzarten an. Vorteil hier, Sie befinden sich nah am Prozess, sparen zusätzliche Kabeltrassen, Schläuche und Leitungen.
Vorteile der zentralen Automatisierung:
✓ Schnelle Installation und sichere Prozesse dank kurzer Wege und flexibler, platzsparender Montage
✓ Geringer Verbrauch an Druckluft und Energie macht Ihre Anlage schneller, sparsamer und effizienter
✓ Einfaches Überwachen und Reinigen dank robuster Prozesseinheiten mit hoher Ventilkonzentration
✓ Weniger Schläuche, Leitungen und Kabeltrassen dank der Nähe zum Aufbereitungsprozess
Komponenten, die unter anderem zum Einsatz kommen
Hier erfahren Sie mehr über die zentrale Automatisierung:
Dezentrale Automatisierung
Aufbau
Jedes Prozessventil wird einzeln angesteuert und über einen eigenen, intelligenten Steuerkopf versorgt. Mit Hilfe der Steuerköpfe und der damit verbundenen digitalen Kommunikationsmöglichkeit, werden aus Standardventilen intelligente Feldgräte. Via LED signalisieren die Prozessventile ihren Schaltzustand und ermöglichen so einen guten Überblick über den Prozess.
Vorteile der dezentralen Automatisierung:
✓ Einfache Prozessüberwachung vor Ort erspart Fehlersuche und stellt die Verfügbarkeit der Wasseraufbereitungsanlage sicher
✓ Intelligente, schnellschaltende Ventilsysteme sind besonders flexibel, übersichtlich und sicher
✓ Erleichterte Inbetriebnahme, Instandhaltung und Erweiterung durch individuelle Lösungen
✓ Nähe zum Prozess reduziert Bedarf an Druckluft, Energie, Pneumatik-Schläuchen, Leitungen und Kabeltrassen
Komponenten, die unter anderem zum Einsatz kommen können
Sie wollen mehr über die dezentrale Automatisierung erfahren? Klicken Sie hier:
Wissenswertes zur Automatisierung von Wasserstoffanwendungen
Wann lohnt sich eine dezentrale Automatisierung gegenüber einer zentralen Lösung?
In der Wasserstoff-Automatisierung stehen Konstrukteure und Anlagenplaner häufig vor der Frage: Soll die Steuerung zentral über eine Ventilinsel erfolgen oder dezentral direkt am Aktor? Beide Ansätze haben ihre spezifischen Stärken – und die Wahl hängt stark von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab.
Fazit
Die Entscheidung zwischen zentraler und dezentraler Automatisierung hängt von Faktoren wie Luftleistung, Installationsaufwand, Umgebungsbedingungen und Kosten ab. Beide Konzepte haben ihre Berechtigung – und bei Bürkert erhalten Sie beides: maßgeschneiderte Lösungen für zentrale und dezentrale Automatisierung, abgestimmt auf Ihre spezifischen Anforderungen in der Wasserstofftechnologie.
Wie lässt sich funktionale Sicherheit in der Wasserstoff-Automatisierung zuverlässig umsetzen – und welche Rolle spielen Ventilinseln und Magnetventile dabei?
Funktionale Sicherheit beginnt bei der richtigen Systemarchitektur. In sicherheitskritischen Wasserstoffanwendungen – etwa bei der Steuerung von Kugelhähnen oder Klappen – ist die funktionale Sicherheit ein zentrales Element. Ziel ist es, definierte Sicherheitsfunktionen zuverlässig auszuführen, z. B. die sichere Abschaltung von Prozessen im Fehlerfall.
Typische Anwendung
Ein Beispiel ist die Absicherung eines Wasserstoffprozesses, bei dem im Notfall ein Kugelhahn sicher geschlossen werden muss. Die Kombination aus Ventilinsel und Magnetventilen stellt sicher, dass die Abschaltung auch bei Stromausfall oder Systemfehler zuverlässig erfolgt.
Fazit
Die funktionale Sicherheit eines Wasserstoffsystems (z.B. Elektrolyseur) wird maßgeblich durch die Systemarchitektur der Sicherheitsfunktionen bestimmt. Mit Bürkert erhalten Sie eine Lösung, die sowohl die Anforderungen an Sicherheit als auch an Integration und Diagnose erfüllt. Die Kombination aus Ventilinsel und sicherheitsbewerteten Magnetventilen ermöglicht eine flexible, skalierbare und normgerechte Umsetzung Ihrer Sicherheitsfunktionen – maßgeschneidert für die Wasserstoff-Automatisierung.
Lösungsansatz mit Bürkert-Komponenten: Bürkert Lösungen ermöglichen eine flexible, skalierbare und sichere Umsetzung funktionaler Sicherheitsfunktionen in der Automatisierung von Wasserstoffsystemen. Die Auswahl der Komponenten und Systeme erfolgt auf Grundlage der Systemarchitektur und der jeweiligen SIL Anforderungen.
Bürkert bietet ein durchdachtes Konzept zur Umsetzung funktionaler Sicherheit:
- Die Ventilinsel Typ 8647 AirLINE SP ist ein modulares, elektropneumatisches Automatisierungssystem, das speziell für die Integration in SIMATIC ET 200SP und PCS 7 von Siemens entwickelt wurde.
- In Kombination mit Magnetventilen Typ 6518 und 6519, die für funktionale Sicherheit bewertet sind, lässt sich eine sicherheitsgerichtete Abschaltung von Prozessventilen realisieren.
- Die Lösung unterstützt den Erhalt definierter Performance Levels (z. B. SIL2) gemäß IEC 61508.
- Rückmelder an den pneumatischen Komponenten ermöglichen eine Diagnose direkt am Vorsteuerventil, was Inbetriebnahme und Wartung erleichtert.
- Die Ventilinsel ist ATEX- und IECEx-zertifiziert, wodurch sie auch in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden kann.
Warum ist der Explosionsschutz in der Wasserstoff-Automatisierung so kritisch – und wie lassen sich pneumatische Systeme sicher in Zone 1 und 2 integrieren?
In der Wasserstofftechnik ist der Explosionsschutz (Ex‑Schutz) von zentraler Bedeutung. Aufgrund der sehr niedrigen Mindestzündenergie und der weiten Explosionsgrenzen von Wasserstoff stellt der Einsatz elektrischer und elektronischer Betriebsmittel in explosionsgefährdeten Bereichen besonders hohe Anforderungen an die Sicherheit. Insbesondere die Automatisierungstechnik muss so ausgelegt werden, dass potenzielle Zündquellen zuverlässig ausgeschlossen werden. Anlagenplaner stehen dabei vor der Aufgabe, elektrische Signale durch geeignete Zündschutzkonzepte – etwa intrinsische Sicherheit oder druckfeste Kapselung – sicher zu führen und kritische Schnittstellen zu pneumatischen Systemen korrekt abzusichern, ohne die Anlagenverfügbarkeit unnötig einzuschränken.
Fazit
Sicherheit im Ex-Bereich duldet keine Kompromisse. Mit Bürkert setzen Sie auf geprüfte Sicherheit, die Hand in Hand mit hoher Funktionalität geht. Ob zentrale Ventilinsel im zertifizierten Schaltschrank oder dezentrale Ex-Komponenten direkt am Prozess – Bürkert liefert die passenden, ATEX- und IECEx-konformen Lösungen für eine sichere Wasserstoff-Zukunft.
Die Bürkert-Lösung für den Explosionsschutz: Bürkert bietet ein tief gestaffeltes Portfolio, das speziell für die Anforderungen der Zonen 1 und 2 sowie für Class/Division-Märkte entwickelt wurde.
- Die Ventilinsel Typ 8650 AirLINE Ex ist speziell für den Einsatz in Zone 1 konzipiert und bietet maximale Sicherheit bei kompakter Bauweise.
- Für die Zone 2 bietet die Ventilinsel Typ 8647 in Kombination mit dem Siemens-System eine hocheffiziente Lösung, die direkt im Ex-Bereich montiert werden kann.
- Zertifizierte Magnetventile (z. B. Typ 6519 Ex): Diese Ventile sind in verschiedenen Zündschutzarten verfügbar und ermöglichen die sichere Ansteuerung von Prozessantrieben direkt vor Ort.
- Systemhaus-Expertise: Bürkert liefert komplett zertifizierte Schaltschranklösungen (Bürkert Systemhaus), die anschlussfertig geprüft sind und die Zulassungskette für den Anlagenbetreiber massiv vereinfachen.
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