Der Slogan „H2ero 4 Zero“ setzt ein klares Zeichen: Wasserstoff (H2) wird zum „Helden“ (Hero), wenn es um die kohlenstofffreie (Zero) Energieversorgung geht. Für GEFRAN ist es ein Herzensthema. Seine Sensoren und Regler spielen eine entscheidende Rolle beim Nutzbarmachen der Energiequelle der Zukunft.
Wasserstoff scheint ein natürlicher Wunderstoff. Es ist das leichteste und am häufigsten vorkommende Element im Universum und verfügt über eine enorm hohe Energiedichte. In einem Kilogramm Wasserstoff steckt so viel Energie wie in drei Kilogramm Benzin oder Diesel. Er wird daher schon als Kraftstoff für Strahltriebwerke oder Verbrennungsmotoren verwendet. Doch: Etwa 95 Prozent der heute weltweit erzeugten 120 Millionen Tonnen Wasserstoff entstammen noch aus fossilen Quellen.
Das gängigste Herstellverfahren ist bislang die Dampfreformierung. Hier wird der Wasserstoff aus einem kohlenstoffhaltigen Energieträger – wie zum Beispiel Erdgas, Methan oder Leichtbenzin – zusammen mit Wasserdampf unter hohem Druck und hohen Temperaturen mit Hilfe eines Katalysators gewonnen. Das Verfahren gilt als günstig und ertragreich. Aber als wenig umweltfreundlich und zukunftsträchtig.
Grüner Wasserstoff als Schlüssel zur Dekarbonisierung
Vier alternative, mit regenerativem Strom betriebene Methoden stehen bereit, um CO2-frei aus Wasser sogenannten grünen Wasserstoff zu gewinnen. Neben der bereits 1950 entwickelten AEL sind dies insbesondere die PEM-, AEM- und SOEC-Elektrolyse. Die Ziele sind hoch gesteckt – bis 2050 will Europa klimaneutral werden und sämtliche vermeidbare Treibhausgasemissionen eliminieren. Grüner Wasserstoff spielt als Energiespeicher und als Brennstoff bei der Dekarbonisierung die zentrale Rolle. Um den rasant steigenden Bedarf kosteneffizient bereitstellen zu können, sind enorme Anstrengungen bei der Industrialisierung auf allen Ebenen notwendig. „Die Skalierung der grünen Wasserstoffproduktion aus dem Labor in die Giga-Welt ist mit großen technischen Herausforderungen verbunden“, sagt Torsten Fuchs, Geschäftsführer von GEFRAN Deutschland. „Um diese anzugehen, spielen Sensor- und Regelungstechnik eine entscheidende Rolle.“
GEFRAN entwickelt und fertigt Komponenten für die Automation, Steuerung und Sensorik industrieller Prozesse. Neben zahlreichen Anwendungen in der Fertigungsindustrie bietet das Unternehmen auch Lösungen für mehrere Prozesse rund um die skalierbare Nutzbarmachung von Wasserstoff. „Eine wichtige Aufgabe ist es, Wasserstoff für industrielle Prozesse im großen Maßstab zu gewinnen“, erklärt Fuchs. Dafür soll die Fertigung von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen deutlich kosteneffizienter werden und die stellenweise manufakturähnliche Produktion einem automatisierten Herstellungsprozess weichen. Eine Schlüsselrolle kommt hier der Bipolarplatte zu. Sie gilt als eine entscheidende Komponente der Wasserstofftechnologie.
Schlüsselelement Bipolarplatte
Die Elektrolyse gilt als Dreh- und Angelpunkt bei der Gewinnung und Nutzung von grünem Wasserstoff. Bei ihr wird unter definierten Druck- und Temperaturbedingungen mittels Kathode und Anode Strom durch Wasser geleitet, das dadurch in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten wird. Brennstoffzellen, die Wasserstoff in Energie umwandeln, funktionieren nach dem umgekehrten Prinzip. Hier werden Wasserstoff und Sauerstoff zusammengeführt. Wasserstoff fungiert dabei als Brennstoff, Sauerstoff als Oxidationsmittel. Durch die chemische Reaktion der beiden Stoffe miteinander entsteht Strom mit den „Abfallprodukten“ Wasser und Wärme. In beiden Fällen werden hunderte Einzelzellen – Elektrolyse- oder Brennstoffzellen – zu Stapeln, sogenannten Stacks, zusammengeführt, wodurch sie eine höhere Leistung erzielen.
Bipolarplatten bilden das Herzstück in beiden Systemen. An Ihren Oberflächen finden in Brennstoffzellen wie in Elektrolyseuren die elektrochemischen Prozesse statt. In sogenannten Stacks liegen die Platten jeweils zwischen den Einzelzellen und verbinden dort die Anode einer Zelle mit der Kathode der gegenüberliegenden Zelle elektrisch leitend. Sie ermöglichen es, den Strom in beide Richtungen zu leiten („bipolar“) und damit sowohl positive als auch negative Ladungen zu übertragen. Dadurch erhöhen sie die Effizienz der Wasserstoffsysteme.
Bipolarplatten werden auf Metallbasis sowie auch aus Verbundwerkstoff gefertigt. Allen gemeinsam ist, dass ihre Herstellung sehr komplex ist und ein hohes Maß an Präzision erfordert. Denn sie bestehen aus lediglich wenige Zehntel Millimeter dünnen Hälften, die eine Struktur aus Strömungsfeldern, Kühlkanälen und Öffnungen enthalten.
Bei der Produktion metallischer Bipolarplatten wird Edelstahl, Titan oder Aluminium unter hohem Druck und hohen Temperaturen geformt und die Kanalstruktur geprägt. Anschließend werden die einzelnen Platten per Laser geschnitten und die beiden Hälften per Laserschweißen zusammengefügt. Zum Schluss wird die Platte beschichtet, was meist per PVD (physikalische Gasabscheidung) oder CVD (chemische Gasphasenabscheidung) erfolgt. Die Abfolge der Prozessschritte kann variieren. Bipolarplatten aus Verbundwerkstoffen basieren meist auf Thermoplast. Dieses wird im Spritzgussverfahren in Form gebracht, anschließend geschnitten und die Hälften zusammengefügt. Meist wird im Polymer Graphit als Füllstoff verwendet.
Hochpräziser Fertigungsprozess mit geringen Toleranzen
„Die Fertigung von Bipolarplatten erlaubt praktisch keine Abweichung“, erläutert Torsten Fuchs von GEFRAN. „Werden Maße nicht präzise eingehalten, können sich die Fehler gravierend auf die Leistungsfähigkeit der Stacks und damit der Brennstoff- und Elektrolysezellen auswirken.“ Die Präzision in der Plattenfertigung sicherzustellen wird zu einer Schlüsselanforderung für die Skalierbarkeit der Wasserstofftechnologien. GEFRAN bietet dafür Sensoren und Leistungsregler mit IO-Link- und anderen digitalen Schnittstellen.
Das Unternehmen ist erfahrener Partner von Fertigungsindustrien, in denen die Anforderungen an Prozesssicherheit, Präzision und Automation hoch sind. Dazu gehören die Glas-, Metall- und Kunststoffindustrie genauso wie Chemie und Pharma. Auch die Prozesskette für die Herstellung von Bipolarplatten – metallisch wie mit Verbundwerkstoffen – deckt das Unternehmen mit seinen Komponenten der Sensor- und Regulierungstechnik vollständig ab.
Effizienz-Plus mit passgenauer Stromregelung
Ein bekannter Schwerpunkt im GEFRAN-Portfolio sind Komponenten für das präzise Regeln thermischer Prozesse. Mit Feldbus-fähigen Leistungsstellern bis zu 600 A, Halbleiterrelais mit und ohne Kühlkörper sowie PIDs unterstützt das Unternehmen Anwender beim Erreichen einer konstanten Produktionsqualität sowie bei der Automation von Steuerungsprozessen. So können die temperaturbestimmten Abläufe des Formens, Zusammenfügens und Beschichtens der Bipolarplatten bedarfsgerecht und wirtschaftlich gesteuert werden. Innerhalb seiner GRx-Familie von Leistungsreglern für das Heizmanagement bietet GEFRAN mit dem GRP-H ein Halbleiterrelais für Stromstärken bis 120 A, dessen Steuerungsfunktionen vollständig konfigurierbar sind und sich damit genau auf die jeweiligen Anforderungen anpassen lassen.
Der GRP-H wurde für lineare und nicht-lineare ohmsche Widerstände konzipiert und verfügt über mehrere Betriebsarten. Die Schaltung kann per Nulldurchgang oder Phasenanschnitt erfolgen. Mit der Soft-Start-Funktion lässt sich der Einschaltstrom begrenzen. Hochentwickelte Diagnosetools ermöglichen eine Früherkennung von Teillastunterbrechungen. So erkennt die Lastüberwachung den Ausfall einer einzelnen von bis zu acht parallel gesteuerten Teillasten. Über das IO-Link-Protokoll übermittelt der GRP-H Daten wie die Betriebsstunden, Strom- und Temperaturspitzen an die Leitungsebene. Damit ermöglicht er eine umfassende Predictive Maintenance, die ein hohes Maß an Ausfall- und damit Prozesssicherheit gewährleistet.
Drücke auch bei hohen Temperaturen sicher im Griff
Beim Formen, Fügen und Beschichten spielt die Überwachung von Drücken eine zentrale Rolle. Speziell das Biegen des Metalls und das Anlegen der Kanalstruktur gelten als neuralgische Punkte in der Fertigung von Bipolarplatten, die nur geringe bis keine Toleranzen zulassen. Mit seiner Reihe ILI ermöglicht es GEFRAN, den Massedruck in der Kunststoffverarbeitung zu überwachen. Die piezoresistiven Druckmessumformer wurden speziell für den Einsatz in Hochtemperaturanwendungen bis 350°C entwickelt. In der Version „Impact“ kommen sie ohne Übertragungsflüssigkeit aus. Die Messung erfolgt über ein Sensorelement aus Silizium, das mit Hilfe der mechanischen Mikrobearbeitung angefertigt wird. Ausgestattet mit IO-Link stellt der Sensor neben dem Massedruck auch die Temperatur als Prozessparameter bereit und kann die jeweiligen Maximalwerte speichern.
Für die Aufnahme des Hydraulikdrucks beim Formen und Fügen der Bipolarplatten sowie bei deren Zusammenfügen zum Stack bietet GEFRAN seinen bekannten Druckmessumformer KS-I an. Er deckt den Messbereich von 4 bis 1.000 bar ab. Der KS-I erzielt mit 1 ms eine besonders kurze Zykluszeit und stellt damit seine Messgrößen, die neben dem Druck auch hier die Temperatur umfassen, via IO-Link nahezu in Echtzeit zur Verfügung.
Positionsüberwachung regelt genauen Zuschnitt
Das präzise Positionieren ist im Zuschnitt der Platten sowie in der Erstellung der Stacks ein Aspekt, der nicht nur für die Qualität, sondern für die leistungsfähige Funktionsweise der Bipolarplatten relevant ist. Verlässliche Wegaufnehmer, die I4.0-ready sind, gehören zu den Spezialitäten von GEFRAN. So hat der Hersteller mit seinem innovativen, patentierten dreidimensionalen Messsystem TWIIST die Funktion der Sensoren neu definiert. Basierend auf dem Hall-Effekt, misst der Wegaufnehmer neben der Position auch andere Prozessgrößen wie Neigung, Drehung, Beschleunigung und Vibration. Weisen Abläufe Unregelmäßigkeiten auf, setzen die TWIIST-Sensoren die gesammelten Informationen in Relation zueinander. Die Messgrößen werden also nicht nur erfasst, sondern auch gefiltert und nachfolgenden Systemen via IO-Link zur Verfügung gestellt.
„Grüner Wasserstoff ist alternativlos“
In ihrer Nationalen Wasserstoffstrategie hat die Bundesregierung das Ziel von 10 Gigawatt jährlicher Elektrolyse-Kapazität bis zum Jahr 2030 vorgegeben. Damit ist eingeplant, dass dies voraussichtlich maximal 50 Prozent des Bedarfs decken und der Rest importiert wird. Doch selbst die 10 Gigawatt scheinen aktuell in weiter Ferne. Laut Wasserstoffbilanz eines großen Energiekonzerns waren 2023 Elektrolyseure mit einer Leistung von 62 Megawatt in Betrieb. Bis 2030 soll sich die Gesamtleistung Planungen zufolge auf 8,7 Gigawatt erhöhen.
„Der Umstieg auf grünen Wasserstoff ist alternativlos“, betont Torsten Fuchs. Die Effizienzsteigerung und Kostensenkung der Prozesse ist daher Teil zahlreicher Projekte, an denen Forschung und Industrie intensiv arbeiten. „Mit unserem Know-how in Sensoren, Regelungstechnik und Automation leisten wir dafür unseren Beitrag. Damit Wasserstoff zum H2ero 4 Zero wird.“
Infokasten 1:
Mission „H2ero 4 Zero“: Wo GEFRAN noch ins Spiel kommt
Grünen Wasserstoff im großen Maßstab nutzbar zu machen, bedarf einer hohen Effizienz und Sicherheit aller Prozesse – von der Gewinnung über die Speicherung bis hin zur Nutzung. GEFRAN bietet dafür Sensoren und Leistungsregler mit IO-Link- und anderen digitalen Schnittstellen, mit denen die Abläufe höchstverlässlich gestaltet und automatisiert werden. Neben der präzisen Steuerung eines konstanten Drucks der Gasströme sowie der kontinuierlichen Überwachung der Prozesstemperaturen ist die kontrollierte Leistungsregelung von zentraler Bedeutung für alle Wasserstoffsysteme. Eine hohe Regelgenauigkeit und -geschwindigkeit sowie das Auslesen von Prozessparametern wie Strom, Spannung und Temperatur ermöglichen es beispielsweise, Elektrolyseur- oder Brennstoffzellenanlagen mit einer hohen Effizienz zu betreiben.
Als intelligentestes Mitglied der GRx-Plattform von GEFRAN ist der Leistungssteller GRM-H konzipiert für die konstante Prozessführung. Er regelt komplexe Lasten, die während der Betriebsphasen keine konstante Stromaufnahme haben. GRM-H überwacht kontinuierlich die Stromaufnahme und begrenzt sie mithilfe eigens entwickelter Algorithmen, bis optimale Bedingungen erreicht sind. Damit verhindert der GRM-H, dass komplexe Lasten zu Ausfällen oder Stillständen führen. Indem er auftretende Spannungsschwankungen ausgleicht, gewährleistet er eine stabile Energielieferung und sorgt für eine stabile Prozessführung. Der Leistungssteller lässt sich mit einer IO-Link-Schnittstelle ausstatten. Damit erhält der Anwender Prozessdaten wie Strom, Spannung, Leistung, Temperatur und Statusmeldungen für die vorausschauende Wartung.
Infokasten 2:
GEFRAN und die SDGs
Das Thema Nachhaltigkeit spielt in der Unternehmensführung von GEFRAN eine wichtige Rolle. Seit 2022 nimmt der Hersteller am Global Compact der Vereinten Nationen teil. Darüber hinaus orientiert sich GEFRAN an den Zielen für nachhaltige Entwicklung der Agenda 2030 der Vereinten Nationen (Sustainable Development Goals, SDGs). Konkret engagiert sich das Unternehmen für sechs spezifische SDGs. So hat es sich unter anderem das Erreichen der Klimaneutralität zum langfristigen Ziel gesetzt. GEFRAN wurde bereits mehrfach für ein überdurchschnittliches ESG-Rating ausgezeichnet.
Infokasten 3:
Über GEFRAN
GEFRAN ist ein italienischer multinationaler Konzern, der sich auf die Entwicklung und Herstellung von Sensoren, industriellen Prozesssteuerungssystemen und Automatisierungskomponenten spezialisiert hat. Kompetenz, Flexibilität und Prozessqualität sowie ein fundiertes Know-how in der Kunststoff-, Metall- und Wärmebehandlung sind GEFRANs entscheidenden Stärken bei der Realisierung von Komponenten und integrierten Systemlösungen für industrielle Anwendungen. Mit seinem Produktportfolio an Sensoren, Automatisierungsplattformen, Steuerungen und Leistungsreglern trägt das Unternehmen maßgeblich zur Steigerung der Effizienz und Optimierung des Energieverbrauchs von Produktionsprozessen bei. Dabei bietet das technologisch innovative und vielseitige Produktspektrum GEFRANs Kunden einen echten Mehrwert.
GEFRAN beschäftigt heute rund 650 Mitarbeiter, davon ca. 400 in Provaglio d’Iseo, der italienischen Hauptniederlassung, und arbeitet eng mit nationalen und internationalen Forschungszentren und Universitäten zusammen. Das Unternehmen ist auf den fünf wichtigsten internationalen Märkten Brasilien, China, Indien, der Schweiz und den Vereinigten Staaten mit Produktionsniederlassungen vertreten. Darüber hinaus gibt es Vertriebsniederlassungen in Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Belgien und Singapur sowie mehr als 80 internationale Vertriebshändler für die weltweite Verkaufsunterstützung.
Infokasten 4:
Elektrolyse ohne CO2: 4 Methoden
AEL – Alkalische Elektrolyse
Wasser wird an zwei nickelbasierten Elektroden gespalten, die durch eine ionenleitfähige Membran getrennt sind. Die Elektroden befinden sich in einem alkalischen Elektrolyt. Das Verfahren gilt als das mit dem günstigsten Materialeinsatz.
PEM – Elektrolyse (Proton-Exchange-Membran)
Das Verfahren benötigt kein flüssiges Elektrolyt. An der Anode entstehen aus Wasser zwei Protonen H+, die durch eine Polymer-Membran zur Kathode diffundieren. Dort werden sie mit Elektronen zu Wasserstoff kombiniert. Die Methode weist eine hohe Leistungsdichte auf.
AEM – Elektrolyse (Anionen-Exchange-Membran)
Die Methode stellt eine Kombination aus der alkalischen und der PEM-Elektrolyse dar. Sie basiert auf leicht alkalischen Bedingungen, wodurch die Elektroden ohne edelmetallhaltige Katalysatoren auskommen.
SOEC – Elektrolyse (Solid Oxide Electrolyser Cell)
Bei dieser Hochtemperaturmethode wird über einen keramischen Elektrolyten, der Sauerstoffionen leitet, eine Spannung angelegt. Dadurch wird Wasserdampf in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Trotz Temperaturen von rund 800 °C gilt sie als Methode mit hohem Wirkungsgrad, da ihre Abwärme genutzt werden kann.
Deeplinks:
www.gefran.de/produkte/drucksensoren/industriell/ks-i-compact-size-io-link-digital-output/
www.gefran.de/produkte/positionssensoren/linearer-wegaufnehmer-twiist
Autor: Ralph Rohmann, Technischer Direktor, GEFRAN Deutschland GmbH (v.i.S.d.P.)
