Wasserstoff und Sicherheitslösungen für elektrische Gefahren in explosionsgefährdeten Bereichen

Das Streben nach Netto-Null-Emissionen und globaler Dekarbonisierung hat die Nachfrage nach erneuerbaren Energiequellen beträchtlich gesteigert. Wasserstoff tritt hier immer deutlicher als vielversprechender Lösungsansatz in Erscheinung: Das ist nicht zuletzt seiner Doppelrolle als Quelle und Speichermedium von Energie zu verdanken.

Sowohl Regierungen als auch weite Teile der Industrie haben sich bis 2030 ehrgeizige Dekarbonisierungsziele gesetzt – und so wachsen Produktion und Verbreitung von Wasserstoff und mit ihnen die Speicheranlagen in allen Teilen der Welt. Die zunehmende Wasserstoffnutzung birgt allerdings auch eine große Herausforderung: die Sicherheit. Wasserstoff ist zwar ein sauberer und effizienter Energieträger, aber auch hochexplosiv, was robuste Schutzmaßnahmen in Gefahrenbereichen erforderlich macht.

Geplante und bestehende Wasserelektrolyse-Projekte in Europa

Das Versprechen hinter dem grünen Wasserstoff und die Notwendigkeit eines Wandels

Wasserstoff hat unterschiedliche „Farben“, die allesamt für unterschiedliche Produktionsverfahren – und infolgedessen auch unterschiedliche Umweltauswirkungen – stehen. Das Farbspektrum von Wasserstoff umfasst schwarzen, grauen, blauen und grünen Wasserstoff, wobei letzterer die umweltfreundlichste Variante darstellt. 

Die Farben von Wasserstoff

 

Der Großteil des weltweiten Wasserstoffs wird heutzutage mittels Dampf-Methan-Reformierung (SMR) hergestellt, einem Verfahren, bei dem CH₄-/methanhaltiges Erdgas in Wasserstoff (H₂) und CO₂ aufgespalten wird. 
 

Die chemische Reaktion bei der Dampf-Methan-Reformierung 

CH₄ + H₂O (+ Wärme) → CO + 3H₂
 

Wasser-Gas-Verschiebungsreaktion 

CO + H₂O → CO₂ + H₂ (+ geringe Wärmemenge)
 

Beim SMR-Verfahren selbst sowie bei der erforderlichen Aufheizung des Dampfreformers auf 800-900°C werden beträchtliche Mengen an Kohlenstoffdioxid (CO2) als Nebenprodukt freigesetzt. 

Diese Art des Wasserstoffs wird häufig als schwarzer oder grauer Wasserstoff bezeichnet – und ihn gilt es zu ersetzen, wenn wir das globale Netto-Null-Ziel erreichen wollen.

Grüner Wasserstoff wird hingegen durch Elektrolyse erzeugt, wobei Wasser (H2O) mit – bevorzugt aus erneuerbaren Quellen erzeugtem – elektrischem Strom in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) aufgespalten wird. Trotz der eindeutigen Vorteile, die dieses Verfahren für die Umwelt hat, werden derzeit nur ca. 5% des Wasserstoffs mit grünen Methoden erzeugt. Die Ausweitung der grünen Wasserstofferzeugung ist daher unumgänglich, um das Ziel einer kohlenstoffarmen Wirtschaft umsetzen zu können: Sie bietet all jenen Industrien eine nachhaltige Möglichkeit, deren Übergang zu saubereren Energielösungen stark von fossilen Brennstoffen getragen wird.
 
 

Die hochexplosive Natur von Wasserstoff: eine bleibende Herausforderung

Auch wenn Wasserstoff viele Vorteile hat, birgt seine hohe Explosionsfähigkeit auch ein beträchtliches Risiko. Im Vergleich zu anderen häufig eingesetzten Gasen wie Flüssigerdgas (LNG) ist die Zündenergie, die eine Explosion auslöst, bei Wasserstoff wesentlich geringer, und auch die Bandbreite an zündfähigen Wasserstoff-Sauerstoff-Gemischen ist viel größer. Das bedeutet, dass das Explosionsrisiko bei der Herstellung, Speicherung und Verwendung von Wasserstoff von Natur aus höher ist.

Dadurch entsteht in Umgebungen, in denen Wasserstoff verarbeitet wird, quasi automatisch ein Gefahrenbereich – in dem Explosionsgefahr besteht. Aus diesem Grund ist ein umfassender Sicherheitsrahmen erforderlich, um mögliche Gefahrensituationen auszuschließen. Sicherheitsmaßnahmen im Zusammenhang mit Wasserstoff erstrecken sich über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg – angefangen bei Produktionsstätten über Transportleitungen bis hin zu Speichertanks und Endnutzeranwendungen.

Eine erhebliche Ausweitung der Wasserstoff-Infrastruktur wird in allen Teilen der Welt geplant; bei diesem Wachstum sollten allerdings auch Sicherheitsüberlegungen eine wesentliche Rolle spielen. Eine solche Ausweitung erfordert Sicherheitsvorkehrungen in enormem Ausmaß – insbesondere, was die elektrischen Gefahren in explosionsgefährdeten Bereichen angeht – die berücksichtigt werden müssen, um den großflächigen Einsatz von Wasserstoff als sichere und effektive Energielösung erst möglich zu machen.
 
 

Eindämmung elektrischer Gefahren in explosionsgefährdeten Wasserstoff-Umgebungen

Im Hinblick auf die Sicherheit in wasserstoffreichen Umgebungen ist die Eindämmung elektrischer Gefahren einer der wesentlichsten Gesichtspunkte. Unternehmen, die in einer solchen Umgebung arbeiten, müssen daher strenge Sicherheitsprotokolle einhalten und entsprechende Sicherheitstechnologien einsetzen – denn schon ein kleiner Funke von einer elektrischen Komponente kann eine Wasserstoffexplosion verursachen.

In Gefahrenbereichen ist der Einsatz explosionsgeschützter Betriebsmittel überlebenswichtig, um Wasserstoffexplosionen vorzubeugen. Die bei der Verarbeitung, Speicherung und dem Transport von Wasserstoff eingesetzten elektrischen Systeme müssen spezifischen Sicherheitsstandards genügen, die das Risiko eines Funkenschlags oder anderer Zündquellen auf ein Mindestmaß reduzieren. Das umfasst auch den Einsatz eigensicherer (Ex-)Betriebsmittel, die auf den sicheren Betrieb in explosionsgefährdeten Umgebungen ausgelegt sind, indem sie die elektrische und thermische Energie, die zu Explosionen führen könnte, einschränken.

Werden eigensichere Betriebsmittel beispielsweise in Wasserstoff-Umgebungen eingesetzt, sorgen sie dafür, dass die von elektrischen Geräten erzeugte Energie keine Wasserstoffexplosionen auslösen kann. Das eigensichere Konstruktionsprinzip spielt vor allem bei der Messung und Regelung von Prozesswerten wie Druck, Temperatur und Durchfluss bei Produktions- und Verteilungsprozessen von Wasserstoff eine wichtige Rolle.

PR electronics: Ihr bewährter Partner für Wasserstoffsicherheit

PR electronics bietet hochmoderne Lösungen, die Schnittstellen für die Prozesswerte in den komplexen und risikobehafteten Bereichen schaffen, in denen Wasserstoff verarbeitet wird – das gilt insbesondere in explosionsgefährdeten Wasserstoff-Umgebungen. Mit seinen mehr als 50 Jahren Erfahrung hat sich PR electronics auf die Entwicklung kosteneffizienter Lösungen für die Instrumentierung in Gefahrbereichen spezialisiert, zu denen auch Wasserstoff-Umgebungen zählen. Unser Know-how im Bereich explosionsgeschützte Anlagen ermöglicht die nahtlose Integration von Sensoren und Steuerungssystemen, die Sicherheit gewährleisten und gleichzeitig die Prozesseffizienz steigern.

PR electronics hat sich auf die Bereitstellung von Betriebsmitteln spezialisiert, die die strengen Anforderungen explosionsgefährdeter Umgebungen und die dazugehörigen Ex-Normen wie ATEX, IECEx, UL, FM usw. erfüllen. Unsere große Bandbreite an eigensicheren Geräten ermöglicht die präzise und sichere Überwachung aller Prozesse im Zusammenhang mit Wasserstoff sowie der entsprechenden Signale z. B. für Temperatur, Druck, Füllstand und Durchfluss in Produktion, Speicherung und Transport. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass kritische Prozesswerte wie Druck, Durchfluss, Ventilstatus und Temperatur auch unter herausfordernden Bedingungen verlässlich gemessen werden.

Wasserstoff kommt im globalen Energiemix eine immer größere Bedeutung zu – dasselbe gilt für vertrauenswürdige Partner, die sich durch ein tiefgreifendes Verständnis der einzigartigen Sicherheitsrisiken im Zusammenhang mit Wasserstoff auszeichnen. PR electronics ist der Marktführer in diesem Bereich: Wir bieten innovative Lösungen, die die Industrie bei der Bewältigung der komplexen Herausforderungen bei der Arbeit mit explosionsfähigen Gasen wie Wasserstoff unterstützen.

 

Eigensichere Lösungen für Gefahrenbereiche

PR electronics hat eine Reihe eigensicherer (Ex-)Lösungen im Angebot, die speziell auf wasserstoffreiche Umgebungen ausgelegt sind. Diese Lösungen zeichnen sich durch einfache Konstruktion und Wartung aus und gewährleisten eine verlässliche Leistung in Bereichen mit wechselnder Zoneneinteilung, wie z. B. Zone 0 / Div. 1, in denen durchgehend Wasserstoffgas vorhanden ist. Wasserstoff wird der Gasgruppe IIC zugerechnet und erfordert besondere Vorsicht bei der Handhabung, da schon kleinste Funken eine Explosion auslösen können. In solchen Gefahrenbereichen gewährleistet PR electronics sichere Schnittstellen zu Betriebsmitteln wie Temperatursensoren und Druckmessumformern.
 

Zoneneinteilungen und Compliance

Die Produkte von PR electronics erfüllen EN / IEC 60079: Hierbei handelt es sich um Normen, die die Sicherheit in Wasserstoff-Umgebungen gewährleisten. Unsere Lösungen sind auf die jeweiligen Zoneneinteilungen zugeschnitten:
 

• Zone 0 / Div. 1: Wasserstoffgas ständig vorhanden
  
  
• Zone 1 / Div. 1: Wasserstoffgas gelegentlich vorhanden
  
  
• Zone 2 / Div. 2: Geringeres Risiko eines Vorhandenseins von Wasserstoff, aber Sicherheitsmaßnahmen weiterhin erforderlich

  

Temperaturklassen für Wasserstoffanlagen

Wasserstoff hat eine Selbstentzündungstemperatur von 560°C.

Ein Ex-Produkt mit einer Temperaturklasse zwischen T4 und T6 (T1 am wenigsten streng) ist ausreichend, um Gefahren im Zusammenhang mit der Umgebungstemperatur auszuschließen. Angesichts der niedrigen Zündenergie müssen die jeweiligen Anlagen allerdings sorgfältig konstruiert und überwacht werden. PR electronics bietet temperaturbeständige Lösungen, die die Sicherheit auch unter anspruchsvollen Bedingungen gewährleisten.

Erfahren Sie mehr über die Grundlagen der Eigensicherheit

 

Anwendungsbeispiel für die Temperaturüberwachung

 
Einfache Schritte zur Einstufung Ihres eigensicheren Systems (ATEX-Umgebung)
 

1. Messumformer in Zone 0, Klasse Ex ia / Barriere in sicherem Bereich, Klasse [Ex ia].
   
   
2. Wasserstoff erfordert ein Produkt der Gasgruppe IIC.
   
   
3. Legen Sie die Bereichsklassifizierung für die Zone / Division des Messumformers fest – in diesem Fall Zone 0 / Div. 1, da Wasserstoff ständig vorhanden ist.
   
   
4. Legen Sie die Betriebstemperatur für den Messumformer fest – z. B. Umgebungstemperatur 80°C. Die Zündtemperatur von Wasserstoff liegt mit 560°C deutlich über den Temperaturanforderungen für die Ex-Temperaturklasse T4 = 135°C. Die Barriere hat eine Betriebsumgebungstemperatur von bis zu 60°C im sicheren Bereich.
   
   
5. Führen Sie eine Schleifenberechnung für das gesamte Ex-System mitsamt Messumformer, Kabel und Barriere mit den jeweiligen Geräteparametern durch.
    

PR 5337D Temperaturmessumformer PR 5337D mit der ATEX Ex-Bewertung: II 1 G Ex ia IIC T6...T4 Ga		PR 9106B Barriere PR 9106B zur Installation im sicheren Bereich mit der ATEX Ex-Bewertung: II (1) G  [Ex ia Ga] IIC/IIB/IIA

 

Aus Gründen der Einfachheit sind hier lediglich die ATEX-Klassen aufgeführt. Ähnliche Produktklassen gelten für IECEx, UL, FM, INMETRO usw. Weitere Einzelheiten entnehmen Sie bitte dem Produkthandbuch / Datenblatt.

Erfahren Sie mehr über die Grundlagen der Eigensicherheit

Arbeiten mit den Ex-Lösungen von PR electronics

PR electronics bietet einfach zu bedienende, eigensichere Geräte, die die Gewährleistung von Sicherheit in Wasserstoff-Umgebungen deutlich erleichtern. Unsere Lösungen zeichnen sich durch ihre Benutzerfreundlichkeit aus: Sie unterstützen Unternehmen dabei, ihre Prozesse zu optimieren und gleichzeitig Sicherheitsrisiken in Gefahrenbereichen zu minimieren.
 

Vorteile der Eigensicherheit

Die Eigensicherheit vereint gleich mehrere Vorteile:
 

• Einfachere Wartung, während der Betrieb fortgesetzt werden kann.
  
  
• Geringere Kosten im Vergleich zu explosionssicheren Kapselungen und zugehörigen Komponenten.
  
  
• Fehlertolerante Konstruktionen.
  
  
• Anwendbar auf alle Gas- und Staubzonen.

 

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