Wasserstoffprüfung hochpräzise und sicher steuern

Mit einer durchgängigen und modularen Steuerungslösung von Beckhoff mit über 500 Datenpunkten und zahlreichen Klemmen der ELX-Serie mit eigensicheren Schnittstellen geht Greenlight Innovation neue Wege in der Wasserstoffprüfung. Die fortschrittliche Architektur ermöglicht die präzise und sichere Überwachung und Steuerung komplexer Wasserstoffprozesse und erhöht sowohl Zuverlässigkeit als auch Effizienz des Testbetriebs.

Während die Welt zunehmend auf die Erzeugung von Wasserstoff als saubere Energiequelle setzt, stehen Unternehmen, die diese Technologien entwickeln, vor einer großen Herausforderung: die sichere und genaue Prüfung ihrer Innovationen, bevor sie auf den Markt kommen. Indem es exakt diese Anforderungen erfüllt, konnte sich Greenlight Innovation aus dem kanadischen Burnaby in British Columbia nach eigenen Angaben als ein weltweit führendes Unternehmen etablieren.

Greenlight wurde 1992 als Zulieferer für die Brennstoffzellenindustrie gegründet. „Seitdem hat sich die Elektrolyse zu einem wichtigen Schwerpunkt für uns entwickelt“, sagt Greig Walsh, kaufmännischer Leiter bei Greenlight. „Mit der Weiterentwicklung der Branche sahen wir eine steigende Nachfrage nach Testsystemen für Wasserstoffproduktionsanlagen.“

Zuverlässige Steuerung für komplexe Testverfahren

Zum Produktportfolio von Greenlight gehören Teststationen für industrielle Elektrolyseure – Systeme, die Wasser mithilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten. Die größten Systeme sind für den Test von Elektrolyse-Stacks mit einer Leistung von 4 MW ausgelegt und stellen auch die höchsten technischen Anforderungen. „Diese Anlagen sind hochkomplex und technologisch anspruchsvoll“, sagt Christian Bosio, Geschäftsführer bei Greenlight. „Eine Maschine besteht aus Tausenden von Komponenten, die wir zusammensetzen, aber sie muss wie eine Einheit funktionieren. Alles muss von höchster Qualität und Zuverlässigkeit sein.“

Die Teststationen müssen Hochdruckgase bis zu 50 bar steuern, die Temperatur über mehrere Zonen hinweg regeln und potenziell explosive Wasserstoff-Sauerstoff-Gemische prüfen – und zwar im Dauerbetrieb mit minimalen Bedienereingriffen. Unter diesen Bedingungen war Sicherheit die größte Herausforderung. „Elektrolyseur-Testsysteme arbeiten mit hohen Drücken und entsprechend hohen Sicherheitsanforderungen“, sagt Christian Bosio. „Bei unseren Systemen in der Megawattklasse steigen die Anforderungen weiter, sodass Sicherheit zum kritischen Faktor für die Auslegung wird.“

Je nach Einsatzort müssen die Systeme von Greenlight verschiedene Sicherheitsauflagen unterstützen und dabei unverändert hohe Leistungsstandards sowie kundenspezifische Anforderungen erfüllen.

Flexible Beckhoff Automatisierung wird Standard

Bei der Auswahl einer geeigneten Steuerungsplattform hatte das Unternehmen zunächst mit verschiedenen Problemen zu kämpfen, wie z. B. zu große I/O-Module oder eine unzuverlässige Kommunikation. „Es war uns bewusst, dass wir für unsere Anlagen hochentwickelte Elektronik und Steuerungstechnik benötigten, daher wollten wir von Anfang an eine fundierte Entscheidung treffen“, erklärt Greig Walsh.

Kriss Koutzarov, Elektroingenieur bei Greenlight, hebt die technischen Vorteile hervor, die ausschlaggebend für die Entscheidung zu Beckhoff waren: „Die Modularität und Flexibilität waren Schlüsselfaktoren. Bei Beckhoff hatten wir verschiedene Optionen hinsichtlich der Kanaldichte der I/O-Klemmen. Außerdem ist eine Klemme sehr kompakt – eine Breite von nur 12 mm verglichen mit über 12 cm bei anderen Lösungen. Dadurch konnten wir eine Menge Platz im Schaltschrank sparen.“

Um die Hunderte von Sensoren, Ventilen und Steuerungselementen in ihren Systemen anzubinden, verwendet Greenlight verschiedenste EtherCAT-Klemmen. Von der einfachen Ventilsteuerung bis hin zu anspruchsvollen analogen Messungen decken diese Klemmen alle Funktionen mit oft bis zu 500 Datenpunkten pro System ab. Dieser modulare Ansatz ermöglicht es dem Unternehmen, Funktionen einfach hinzuzufügen oder zu modifizieren, wenn sich die Projektanforderungen einmal ändern.

Um die erwähnten Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, implementierte Greenlight die TwinSAFE-Klemmen von Beckhoff. Die TwinSAFE-Architektur integriert die Klemmen EL1904 und EL1918 als digitale Eingänge sowie die Klemmen EL2904 und EL2912 als digitale Ausgänge und bietet so funktionale Sicherheit gemäß SIL3. Darüber hinaus nutzt das System TwinSAFE-SC-Klemmen zur Überwachung analoger Parameter wie Temperatur, Druck und anderer kritischer Parameter, um unter allen Bedingungen einen sicheren Betrieb bis SIL2 zu ermöglichen.

Für Bereiche mit potenzieller Wasserstoffexposition verwendet Greenlight die ELX-Klemmen von Beckhoff mit eigensicheren Ein-/Ausgängen. Diese EtherCAT-Klemmen integrieren Trennbarrieren und Remote-I/O in einem kompakten Gehäuse, wodurch externe Barrieren überflüssig werden und ein direkter Anschluss an Feldgeräte in explosionsgefährdeten Umgebungen bis hin zu Zone 0/20 möglich ist. „Überall dort, wo Brennstoff und Oxidationsmittel präsent sein können, müssen wir Zündquellen eliminieren. Die Ausgänge der ELX-Klemmen geben keinerlei Energie ab, die einen Funken erzeugen könnte, selbst wenn man sie kurzschließen würde“, so Kriss Koutzarov.

Die ELX-Klemmen bieten erhebliche Platz- und Kostenvorteile. Mit bis zu acht eigensicheren Eingängen im 12-mm-Gehäuse machen sie externe Barrieren überflüssig und reduzieren den Platzbedarf im Schaltschrank. Mit den Zertifizierungen gemäß ATEX, IECEx und NEC/CEC erfüllen sie alle marktüblichen Richtlinien für den Explosionsschutz und ermöglichen den weltweiten Einsatz der Maschinen von Greenlight.

PC-based Control vereinfacht Systementwicklung

Das Herzstück der 4-MW-Elektrolyseur-Teststation ist der Embedded-PC CX5130, der den gesamten Testprozess steuert. Mit Dualcore-Prozessor und lüfterlosem Design bietet der CX5130 die ideale Kombination aus Rechenleistung und Zuverlässigkeit für anspruchsvolle industrielle Umgebungen. Die kompakte PC-basierte Steuerung übernimmt alle Funktionen von der Datenerfassung bis zu komplexen Steuerungsalgorithmen und bietet gleichzeitig die erforderliche Konnektivität für die Integration in das umfangreiche I/O-System. Die Fähigkeit, SPS- und Messaufgaben gleichzeitig auszuführen, macht den Controller besonders geeignet für die anspruchsvollen Testsequenzen von Greenlight, bei denen es auf exaktes Timing und Koordination ankommt.

Die Systemarchitektur nutzt die Automatisierungssoftware TwinCAT zur Prozesssteuerung und das industrielle Ethernet-System EtherCAT zur nahtlosen Integration. „Es ist einfach Plug-and-Play, was erstaunlich ist“, beschreibt Christian Bordin, Automatisierungs- und Steuerungsentwickler bei Greenlight, die Vorteile der Einfachheit von EtherCAT. „Es besteht keine Notwendigkeit, komplexe Treiber zu schreiben. Wir konfigurieren das System einfach in der TwinCAT-Engineeringumgebung und stellen sicher, dass alle unsere Komponenten miteinander kommunizieren.“

Die Zukunft der Wasserstoffproduktion auf dem Prüfstand

Die Standardisierung auf die Beckhoff Steuerungsplattform ist sowohl für Greenlight als auch für die Kunden des Unternehmens von Vorteil. Denn nun ermöglichen es die Teststationen mit Datenerfassungs- und -analysefunktionen, dass die Hersteller von Elektrolyseuren die Konfiguration ihrer Systeme überprüfen und verbessern können. Einer dieser Kunden namens cellcentric sagte dazu, dass Greenlights Teststationen überaus wertvoll für die Brennstoffzellenentwicklung seien, da sie es ermöglichen, die Leistung bei verschiedenen Gasdurchflussraten, Luftfeuchtigkeiten, Temperaturen, Drücken und elektrischen Lasten zu bewerten. Mit der Software Emerald von Greenlight können sie automatisierte Testskripte entwickeln und ausführen, Daten in Echtzeit anzeigen und präzise Messdaten protokollieren. So erhalten sie schnelles und zuverlässiges Feedback, um Designänderungen zu validieren und die Produktqualität vor der Auslieferung sicherzustellen.

Mit Blick auf die Zukunft konzentriert sich Greenlight auf die Standardisierung seiner Elektrolyseur-Testsysteme über ein breiteres Größenspektrum. Aber auch wenn Greenlight die Skalierung erweitert, bleibt der Ansatz unverändert: flexible, leistungsstarke Systeme zu entwickeln, die es Kunden ermöglichen, sich auf ihre Kerntechnologien zu konzentrieren, während Greenlight die komplexen Aufgaben hinter den Kulissen bewältigt. Christian Bosio fasst zusammen: „Der Schlüssel zu unserem Erfolg liegt in der Anpassungsfähigkeit, die es uns ermöglicht, die veränderlichen Anforderungen in dieser Wachstumsbranche zu erfüllen.“