Taupunktmessung in Wasserstoff-Systemen zur Abwärmenutzung

JTEC Energy und Vaisala haben bei der Integration von Präzisionssensoren zur Feuchtemessung in ein neuartiges System zur Umwandlung von Abwärme in Strom (Waste-Heat-to-Power) zusammengearbeitet. Die Implementierung einer genauen Feuchte- und Taupunktüberwachung ermöglicht den zuverlässigen Betrieb einer geschlossenen Wasserstoff-Energiearchitektur in industriellen Automatisierungsumgebungen.

Industrielle Herausforderung und Systemarchitektur
JTEC Energy entwickelt eine Technologie, die industrielle Abwärme unter Verwendung von Wasserstoff als Arbeitsmedium in elektrische Energie umwandelt. Das System basiert auf einem wärmegetriebenen Kompressionsprozess, der mit elektrochemischen Stacks (Brennstoffzellen-Stacks) gekoppelt ist. Innerhalb dieser Architektur wird Abwärme in einen Metallhydrid-Reaktor geleitet, wodurch dieser unter Druck stehenden Wasserstoff freisetzt. Dieser Wasserstoff expandiert über einen elektrochemischen Stack, um elektrischen Strom zu erzeugen, bevor er von einem separaten, gekühlten Reaktor wieder absorbiert wird.

Dieses geschlossene Kreislaufsystem führt zu einem grundlegenden Konflikt beim Feuchtemanagement. Die elektrochemischen Stacks benötigen befeuchteten Wasserstoff, um eine optimale Membranleistung aufrechtzuerhalten. Im Gegensatz dazu müssen die Metallhydrid-Reaktoren extrem trocken bleiben; überschüssige Feuchtigkeit führt zur Bildung von Oxidschichten, die die Wasserstoffabsorption hemmen und die Reaktorleistung verschlechtern. Folglich muss das System mehr als 99,99 Prozent der während des Stromerzeugungszyklus eingebrachten Feuchtigkeit entfernen und rezirkulieren.




Ziele für die Prozesszuverlässigkeit
Eine präzise Feuchteregelung ist entscheidend für die Funktionsfähigkeit und den kontinuierlichen Betrieb des Systems. Während der anfänglichen Forschung und Entwicklung waren die von JTEC verwendeten Standard-Sensoren für relative Feuchte und Taupunkt häufig gesättigt, wenn sie Kondensation ausgesetzt waren. Diese mangelnde Robustheit zwang die Ingenieure dazu, Experimente abzubrechen, die Ausrüstung zu trocknen und die Systeme neu zu starten – in einem Fall verlängerte sich ein standardmäßiger sechsstündiger Test auf drei Tage Fehlersuche.

Für den Feldeinsatz stellt eine ungenaue Feuchtemessung ein erhebliches Betriebsrisiko dar. Das Subsystem zur Abwärmeumwandlung macht mehr als ein Drittel der Gesamtsystemkosten aus. Eine ungeplante Feuchtigkeitsexposition erfordert Offline-Wartungsarbeiten, um die Reaktorleistung wiederherzustellen, was zu inakzeptablen Ausfallzeiten für die Stromerzeugungsinfrastruktur führt.

Technische Lösung und Implementierung
Um das Problem der Messzuverlässigkeit zu lösen, standardisierte JTEC seine Feuchteüberwachung auf Sensortechnologie von Vaisala. Die Implementierung nutzt drei spezifische Instrumente zur Überwachung des Wasserstoffkreislaufs unter dynamischen Druck- und Strömungsbedingungen. Eine Vaisala HMP7-Sonde für relative Feuchte und Temperatur ist unmittelbar nach der ersten Entfeuchtungsstufe positioniert, um die grobe Feuchtigkeitsentfernung zu verifizieren und Leitungskondensation zu verhindern. Im Anschluss an die finalen Phasen des Feuchtemanagements misst ein Vaisala DMP370 Ex-zertifizierter Sensor niedrige Taupunkte, bevor der Wasserstoff in die Metallhydrid-Reaktoren zurückkehrt, um sicherzustellen, dass das Gas gemäß strengen Spezifikationen getrocknet ist. Schließlich überwacht ein Vaisala DMT143 Taupunktmessumformer den Wartungsverteiler und verhindert die Feuchtigkeitsmigration von nassen in trockene Bereiche während der Inbetriebnahme-, Abschalt- oder Wartungsvorgänge.

Die Sensoren wurden direkt in die Steuerungsarchitektur des Systems integriert. Die spezifische Ex-Zulassung des DMP370 ermöglicht es dem System, die strengen Anforderungen für explosionsgefährdete Bereiche zu erfüllen, die für zukünftige Industrieanlagen erforderlich sind.




Engineering-Support und betriebliche Ergebnisse
Die Feuchtemessung in unter Druck stehendem Wasserstoff weicht erheblich von atmosphärischen Standardbedingungen ab. Vaisala leistete direkten messtechnischen Support und half JTEC bei der Entwicklung genauer Druckkompensationsroutinen für ihre Taupunktmessungen unter schwankenden Bedingungen.

„Die Autokalibrierung von Vaisala ist eine Schlüsselfunktion, die das Vertrauen in die uns gelieferten Werte erhöht“, erklärte Julian Bell, Vice President of Engineering bei JTEC Energy. „Gleichzeitig waren wir mit Unterstützung der Vaisala-Ingenieure in der Lage, Druckkompensationsroutinen in unsere Taupunktmessungen zu integrieren.“

Die Integration dieser Sensoren ermöglicht eine kontinuierliche, stabile Messung ohne die Kalibrierungsunterbrechungen, die bei alternativen Architekturen auftreten. Diese ununterbrochene Transparenz ermöglicht es dem Steuerungssystem, präzise zwischen den Entfeuchtungssäulen umzuschalten. Dadurch werden sättigungsbedingte Ausfallzeiten eliminiert, die hochwertigen Metallhydrid-Reaktoren geschützt und die Messsicherheit geboten, die erforderlich ist, um die Technologie vom Labor in den Feldeinsatz zu überführen.

Bearbeitet von Aishwarya Mambet, Induportals-Redakteurin, mit Unterstützung von KI.

www.vaisala.com