Stack- und String-Spannungsmessung in Elektrolyseuren und Brennstoffzellen

Grüner Wasserstoff spielt für die Energiewende eine zentrale Rolle: Als C02-freier Brennstoff mit hoher Energiedichte bietet Wasserstoff perspektivisch die beste Möglichkeit, regenerativ gewonnene Energie zu transportieren oder dezentral zu speichern. Die Leistung der Elektrolyseure, die mit Strom aus Wind- und Solaranlagen Wasserstoff produzieren, wächst beständig. Um die maximale Effizienz und Prozesssicherheit dieser Anlagen zu gewährleisten, ist eine kontinuierliche Zustandsüberwachung der in hohen Stückzahlen integrierten Elektrolysezellen erforderlich. Dafür werden ausfallsichere Messumformer benötigt, die hohe Potentiale sicher abtrennen und Gleichspannungen bis derzeit 1500 V mit hoher Präzision messen.

Immer höhere Leistungen

Herstellerabhängig werden in aktuellen Elektrolyseuren bis zu mehrere hundert Elektrolysezellen zu Stacks verschaltet, die in Fehler- oder Wartungsfällen als komplette Einheiten ausgewechselt werden. Da die einzelnen Elektrolysezellen durchschnittlich Betriebsspannungen zwischen 1 und 4 V DC benötigen, können die Stack-Spannungen mehrere 100 V DC betragen. Zudem werden in größeren Elektrolyseuren mehrere Stacks zu einzeln ansteuerbaren Strings mit erheblich höheren Gesamtspannungen zusammengefasst - der aktuelle Trend geht zu Stringspannungen bis 1500 V DC. Bereits heute sind Elektrolyseure mit elektrischen Leistungsaufnahmen im zweistelligen Megawatt in Betrieb.

Brennstoffzellen hingegen dienen der effizienten und sauberen Verstromung von Wasserstoff. Sie verwenden einen zu Elektrolyseuren inversen Prozess, der durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff Strom erzeugt. Wie Elektrolyseure sind Brennstoffzellen aus Zellen und Stacks aufgebaut, die zu Hochspannungs-Strings verschaltet werden.

Spannungsüberwachung zu Diagnosezwecken

Um frühzeitig Defekte und Verschleißerscheinungen von Elektrolyse- oder Brennstoffzellen zu erkennen, ist eine kontinuierliche und hochgenaue Messung von Stack- und String-Spannungen erforderlich. Gelegentlich werden auch Spannungen an Teileinheiten von Stacks gemessen. In diesen Fällen sind zwar die Messspannungen geringer, aufgrund der Verschaltung treten allerdings hohe Potentialdifferenzen auf, so dass die Messumformer entsprechend hoch isoliert sein müssen. Zudem ist auch eine Überwachung von Strömen und Temperaturen notwendig. Dafür müssen die eingesetzten Messumformer nicht nur hohe Ansprüche an Genauigkeit und robuste Isolation erfüllen, sondern auch an die Ausfallsicherheit und Wartungsfreiheit: Da die Elektrolyseure in Containern neben Windkraft- oder Solaranlagen untergebracht werden, die typischerweise in dezentral gelegenen Orten errichtet werden, hängt die Anlagenverfügbarkeit entscheidend von Zuverlässigkeit der Messtechnik ab.

Perfekte Lösungen: Hochspannungs-Messumformer der Serie P40000

Durch ihre extreme Langzeitstabilität bieten die Hochspannungs-Messumformer der Serie P40000 optimale Lösungen für die Spannungs-, Strom- und Temperaturmessung in Elektrolyseuren. Die Messumformer gewährleisten eine Basisisolation bis 3.600 V und verstärkte Isolation bis 1800V. Sie erreichen aufgrund des konservativ ausgelegten und vollvergossenen Elektronikdesigns eine MTBF von 2165 Jahren (basierend auf Felddaten). Zudem zeichnen sie sich durch hervorragende Übertragungseigenschaften mit einem Verstärkungsfehler von unter 0,3 % des Messwerts aus und erfordern, wie alle Produkte von Knick, über die gesamte Lebensdauer keine Nachkalibrierung. Darüber hinaus vereinfachen die kompakten Gehäuse zur Hutschienenmontage die Integration auch in nachgerüsteten Anwendungen.