Spannungsschwankungen auf Zellebene sind ein klarer Indikator für schädliche Veränderungen innerhalb von Elektrolyse-Stacks. Viele Betreiber erkennen sie allerdings erst, wenn bereits Schäden entstanden sind. Um Performance und Lebensdauer von Elektrolyseanlagen dauerhaft im Blick zu behalten, setzt Neuman & Esser auf eine integrierte Messtechniklösung.
Elektrolyseanlagen zur Herstellung von grünem Wasserstoff sind heute ein Kernbestandteil der Energiewende. Sie müssen kurzfristige Lastwechsel beherrschen und eine hohe Verfügbarkeit haben – angesichts der vergleichsweise hohen Investitionskosten idealerweise über viele Jahrzehnte.
Doch gerade im Herzstück einer solchen Anlage, dem Elektrolyse-Stack, sind viele Betreiber nahezu blind unterwegs: Die Gesamtspannung eines Stacks liefert nur ein Summensignal von – je nach Modell – vielen hundert Einzelzellen. Ein Rückschluss auf das Verhalten der einzelnen Zelle ist damit praktisch unmöglich. Schadhafte Veränderungen beginnen allerdings immer im Kleinen: ein minimal erhöhter Widerstand, eine leichte Veränderung im Membranverhalten oder eine ungleichmäßige Fluidverteilung. In den Spannungsschwankungen einer einzelnen Zelle zeigen sich diese Veränderungen frühzeitig – lange bevor sie im Gesamtbetrieb messbar werden oder zu ernsthaften Störungen führen.
Spannungsschwankungen erlauben Rückschlüsse auf die Einzelzelle
Läuft eine Zelle außerhalb ihres optimalen Betriebsfensters, sinkt nicht nur ihr Wirkungsgrad – es steigt auch das Risiko für Folgeschäden. Ohne präzise Detektion bleibt das unbemerkt, und Betreiber können erst reagieren, wenn es kostspielig wird. Eine integrierte Messtechniklösung setzt genau hier an: Sie erfasst die Spannung jeder einzelnen Zelle präzise und ermöglicht damit dauerhaft eine verlässliche Bewertung des Gesamtzustands des Stacks.
Für Neuman & Esser, einen erfahrenen Systemintegrator im Wasserstoffmarkt, ist die Einzelzellspannungsmessung eine zentrale Komponente für einen sicheren und effizienten Anlagenbetrieb. Kapil Kulkarni, bei Neuman & Esser verantwortlich für den strategischen Einkauf, begründet das mit den wirtschaftlichen Rahmenbedingungen der Wasserelektrolyse: Nach den Stromkosten seien die Investitionskosten für einen Elektrolyse-Stack der größte Kostenfaktor – bei gleichzeitig hoher Komplexität und Störanfälligkeit der Technik. Ohne Einzelzellspannungsmessung gleiche der Stack im Betrieb einer Blackbox; eine gezielte Beobachtung der Gesamtperformance über lange Zeiträume sei so nicht möglich. Kulkarni zufolge ist die Messung daher ein unverzichtbarer Bestandteil des Lösungsangebots.
Die eingesetzte Lösung wird im Siemens-Werk für Kombinationstechnik Chemnitz (WKC) gefertigt, das Entwicklung, Engineering und Fertigung eng verzahnt.
Integrierte Messtechnik für die Wasserelektrolyse
Herzstück der Lösung ist das 24-kanalige SIMATIC S7-1500-Modul, das speziell für die Zellspannungsmessung in elektrochemischen Systemen entwickelt wurde. Es misst mit einer Auflösung im Mikrovolt-Bereich und ist dabei robust gegenüber externen Störeinflüssen. Zugleich erfüllt das Modul die hohen Anforderungen an Qualität, Zuverlässigkeit und Lebensdauer, die die SIMATIC-Familie seit Jahrzehnten kennzeichnen. Durch den modularen und skalierbaren Aufbau als dezentrale Peripherie ET 200MP besteht praktisch keine Begrenzung hinsichtlich der Anzahl der zu überwachenden Zellen und Stacks.
Die Messdaten fließen direkt in die Siemens-Automatisierungswelt ein. SIMATIC S7-1500, PCS 7, PCS neo und Industrial Edge verarbeiten die Werte ohne zusätzliche Schnittstellen und ohne den Einsatz externer Systeme. Die so gewonnenen Daten lassen sich KI-unterstützt für Trendanalysen, Alarmmeldungen, Performance-Monitoring und weitere digitale Anwendungen nutzen. Die durchgängige Integration reduziert die Komplexität; wächst die Elektrolyseanlage, skaliert die Messlösung entsprechend mit.
Einzelzellspannungsmessung als künftiger Standard
Nach den bisherigen Erfahrungen von Neuman & Esser hat sich die Lösung im Praxisbetrieb als tauglich erwiesen. Kulkarni zufolge plant das Unternehmen daher, Elektrolyseanlagen künftig bevorzugt mit integrierter Einzelzellspannungsmessung anzubieten. Als Systemintegrator könne das Unternehmen auf Basis dieser Daten Verantwortung für Effizienz, Sicherheit und die langfristige Performance kompletter Elektrolyseanlagen übernehmen.
Degradationseffekte lassen sich so frühzeitig erkennen, Ursachenanalysen im Störfall gezielt durchführen. Betreiber können ihre Betriebsweisen auf Basis der gewonnenen Daten optimieren und stabilere sowie höhere Wirkungsgrade erreichen. Wartungsmaßnahmen lassen sich verlässlicher planen, die Lebensdauer der Stacks verlängert sich. Kulkarni sieht darin insgesamt einen Beitrag zur Betriebssicherheit, da das Risiko ungeplanter Ausfälle deutlich sinke.
Neuman & Esser geht davon aus, dass sich die Zellspannungsmessung mittelfristig zum Standard moderner Elektrolysesysteme entwickeln wird – und setzt bei der technischen Umsetzung auf eine Lösung, die sich im realen Anlagenbetrieb bewährt hat.
