Zwillingsstudien für die Wasserstoffwirtschaft Der digitale Zwilling erleichtert den Scale-Up in der Elektrolyse

Autor / Redakteur: Loic Charbonneau* / Dominik Stephan

Bis 2030 sollen in Europa Elektrolyse-Anlagen mit einer Gesamtkapazität von 40 Gigawatt entstehen. Dabei werden bestehende Standorte zur Keimzelle der industriellen Wasserstoffproduktion, schätzen Experten. Doch Aufbau und Integration der neuen Anlagen sowie die Schulung des Betriebspersonals werden zur Herausforderung. Soll der Sprung in den Industriemaßstab gelingen, könnte der Schlüssel im Digitalen liegen.

Beim Scale-Up der Elektrolyse könnte der "Digitale Zwilling" zur Trumpfkarte werden.
Beim Scale-Up der Elektrolyse könnte der "Digitale Zwilling" zur Trumpfkarte werden.
(Bild: Emerson)

Wasserstoff wird zu einem der wichtigsten Instrumente, um die Ziele des Europäischen Green Deals und die Energiewende in Europa zu erreichen. Das Gas ist eine ideale, saubere Energiequelle mit hohem Brennwert und Energiedichte und kann auf verschiedene Arten transportiert und gelagert werden.

Am wichtigsten ist jedoch, dass bei der Verbrennung mit Sauerstoff nahezu keine Treibhausgase entstehen. Experten gehen davon aus, dass der Wasserstoff-Anteil am europäischen Energiemix bis 2050 von 2 Prozent auf 14 Prozent steigen wird. Doch dafür ist eine neue Infrastruktur mit großen Produktionsanlagen erforderlich.

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Die häufigsten Verfahren zur Wasserstoffgewinnung sind die Dampfmethanreformierung und die Elektrolyse: Die Dampfreformierung ist momentan die günstigste Produktionsmethode, nutzt jedoch Erdgas und setzt CO2 frei. Die Elektrolyse hingegen ist emissionsfrei – Ist auch die Energiequelle für die Wasserspaltung erneuerbar oder kohlenstoffarm, wird das produzierte Gas als "grüner" Wasserstoff bezeichnet. Die Europäische Kommission schätzt, dass bis 2030 13-15 Mrd. Euro in Elektrolyseure investiert werden müssten, um die Wasserstoffproduktion auf 40 GW hochzufahren.

Die wichtigsten industriellen Verfahren sind die alkalische- und die Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse (Proton Exchange Membrane/PEM). Alternativ wird auch die Hochtemperatur-Festoxid-Elektrolyse (Solid Oxide Electrolysis/SOE), auch Dampfelektrolyse genannt, diskutiert, diese hat sich in kommerziellen Anwendungen allerdings bisher nicht bewährt.

Größe entscheidet: So sollen H2-Verfahren skaliert werden

Die PEM-Elektrolyse wurde entwickelt, um die Probleme alkalischer Elektrolyseure (wie Teillastverhalten, geringe Stromdichte und Niederdruckbetrieb) zu überwinden: Das Verfahren ermöglicht eine schnelle Inbetriebnahme und einfache Wartung bei geringen Korrosionsproblemen.

Um die Nachfrage zu bedienen, suchen Anlagenbauer nach Wegen zur Verbesserung ihrer Konstruktionen: So beabsichtigt die Initiative Green Hydrogen Catapult eine Skalierung der Produktion auf das 50-fache in den nächsten sechs Jahren mit dem Ziel, die Kosten auf unter 1,65 Euro pro Kilogramm zu senken. Dafür müssten allerdings höhere Stromdichten und eine hohe Effizienz über eine längere Lebensdauer berücksichtigt werden. Außerdem müssen die Technologieanbieter ihr Design auf die Produktionskette ausrichten, wodurch die Kosten pro Kilogramm Wasserstoff weiter gesenkt werden.

Diese Trends bestimmen die H2-Anlagenprojekte

Als wäre das nicht genug, werden zunehmend Recycling-­Stoffe eingesetzt, um die seltenen und teuren Elektroden-Materialien zu ersetzen. Dabei muss selbstverständlich die Integrität des Systems sichergestellt bleiben - und dafür sind auch entsprechende Steuerungs- und Betriebsstrategien wichtig. Betriebliche Sollwerte müssen aufgestellt und sogenannte Balance-of-Plant-Komponenten und -Untersysteme (BoP) entwickelt, integriert und optimiert werden.

Auf diese Weise sind Effizienzsteigerungen von 3-5 Prozent bei der Wasser- und Wasserstoffreinigung möglich, sind sich Experten sicher. Das bezeugen auch immer größere Projekte, wie die weltgrößte PEM-Elektrolyse mit 20 MW, die in absehbarer Zeit im kanadischen Quebec in Betrieb gehen soll.

Der Digitale Zwilling: Ein Plus für die Elektrolyse?

Eine Analyse des Imperial College zeigt, dass Verbesserungen in vielen Bereichen möglich sind, etwa durch höhere Stromdichte, bessere Wasserreinigung, bessere Gleichrichter mit minimaler Strom-/ Spannungswelligkeit oder optimierten Start-/Stopp-Verfahren.

Viele der geplanten großen Wasserstoffanlagen werden in vorhandene Industrie-Cluster wie Raffinerien, Ammoniakanlagen, Stahlwerken, Häfen oder sogar Offshore integriert, wobei Sicherheit von entscheidender Bedeutung ist. Helfen kann dabei ein ganz besonderer Verwandter der Anlage: Der digitale Zwilling. Darunter versteht man eine software-basierte, virtuelle Nachbildung aller physikalischen Komponenten der Produktion, einschließlich Prozessanlagen, Instrumentierung und Steuerung, sowie der Produktionsprozesse. Anhand dieser Nachbildung wird der Betrieb der Anlagenkomponenten nachgeahmt und über die gesamte Lebensdauer simuliert.

Ein digitaler Zwilling ( 'Digital Twin') umfasst die Nachbildung des Leitsystems, der Bedienanzeigen und Alarme neben einer Prozessmodellierung sowie Ausführungs- und Integrationslösung in Echtzeit für die Automatisierungssysteme. Er wird anhand von Informationen zur Prozessauslegung erstellt, einschließlich Rohrleitungs- und Instrumentendiagramme sowie der Prozessablaufdiagramme.

Diese Informationen werden genutzt, um mittels Simulations-Tools eine software-basierte Abbildung des Prozesses zu erstellen. Da die dafür genutzten Programme eine große Auswahl vorkonfigurierter Objekte enthalten, können Modelle effizient erstellt werden, um eine hochgenaue Darstellung des Verhaltens und der Dynamik des entsprechenden Prozesses zu erreichen.

Was den digitalen Zwilling für die Wasserstoffwirtschaft so wertvoll macht, ist seine Rolle bei der Analyse verschiedener „Was-wäre-wenn-Szenarien“ - etwa wie die Verwendung anderer Gleichrichter oder Wasserreinigungssysteme sowie Ideen zur Verbesserung des BoP-Designs. Auf diese Weise können auch optimierte Steuerungs- und Sicherheitsschemata validiert werden, einschließlich erweiterter Steuerungsmodelle sowie Start-/Stopp-Verfahren.

Die Anlage von morgen...

Die Technologie bewährt sich auch beim Einhalten von Vorschriften und der Validierung eines vorgeschlagenen Sicherheitskonzepts - beides Aspekte, die bei der Integration großer Elektrolyseanlagen in vorhandene Industriestandorte eine wichtige Rolle spielen.

Wenn die Anlage läuft, kann der Digital Twin Daten und Einblicke in den Anlagen- und Systemzustand geben, wodurch die Betriebsleitung vorbeugende Wartungsverfahren optimieren und teure ungeplante Stillstände vermeiden kann. Die Genauigkeit kann dabei mit Daten direkt aus dem Prozess kontinuierlich erhöht werden, sobald diese zur Verfügung stehen. Da ist besonders wichtig, da Wasserstoffelektrolyseprojekte häufig stufenweise umgesetzt werden. So gelingt die nahtlose Einbindung jeder dieser Stufen erheblich einfacher. Digitale Zwillinge können also eine Plattform zur schnelleren Qualifizierung von Bedienern und Kompetenzbewertung bieten.

Der Betrieb einer exakten digitalen Nachbildung parallel zur realen Anlage schafft aber auch ein wertvolles Hilfsmittel für die Schulung von Bedienern und Technikern in der Leitwarte, wobei sie sich im Voraus mit dem Leitsystem und den Prozessen vertraut machen können. Dieses Vorgehen macht das Personal offline und risikolos mit den Begebenheiten vertraut, die es in der Leitwarte antreffen wird. Damit sind die Anlagenfahrer und Betriebsleiter besser dafür gerüstet, Störungen oder abnormale Situationen erfolgreich zu steuern und zu managen und sich auf neue Prozesse vorzubereiten.

...schon heute im Test

Dank der virtuellen Umgebung, in der Steuerungs- und Betriebslösungen konzipiert und getestet werden, kann der digitale Zwilling auch bei der Skalierung einer Elektrolyseanlage helfen, die Risiken zu minimieren. Die Technologie ist zudem über die gesamte Lebensdauer von großem Nutzen, da die Anlage schneller und sicherer in Betrieb genommen werden kann, das Bedienpersonal in einer sicheren Umgebung geschult wird und die betriebliche Effizienz für mehr Anlagenproduktivität und -rentabilität maximiert wird.

Hinweis: Weil auch für Rechenzentren alternative Energiequellen immer wichtiger werden, haben wir diesen Beitrag von der Schwesterpublikation „Process“ übernommen.

* Der Autor ist Projektleiter bei Emerson.

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