Die Wasserstoffproduktion mag auf den ersten Blick einfach erscheinen: Wasserstoff erzeugen, abtrennen, reinigen und dem nächsten Prozess zuführen. In der Praxis ist es jedoch deutlich anspruchsvoller, Wasserstoff mit der erforderlichen Reinheit herzustellen und gleichzeitig einen sicheren und effizienten Prozess zu gewährleisten. Sauerstoff-Crossover, Restfeuchte, nicht umgesetztes Methan, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und sich ändernde Prozessbedingungen können die Wasserstoffqualität und die Anlagenleistung beeinträchtigen. Ohne zuverlässige Gasmessung bemerken die Bediener Abweichungen möglicherweise erst, wenn sich die Produktqualität verschlechtert oder die Prozesssicherheit gefährdet ist. Daher ist die Auswahl der richtigen Gasanalysegeräte ein entscheidender Faktor für die Wasserstoffproduktion.
Für die Wasserstoffproduktion werden typischerweise Wasserstoff-, Sauerstoff- und Feuchtigkeitsanalysatoren benötigt. Je nach Produktionsverfahren kommen außerdem Analysatoren für CO, CO₂, CH₄ und weitere Prozessgase zum Einsatz. Elektrolyseanlagen überwachen hauptsächlich H₂, O₂ und Feuchtigkeit, während Anlagen zur Methandampfreformierung und -vergasung in der Regel eine Mehrkomponentenanalyse von H₂, CO, CO₂, CH₄ und verwandten Gasen zur Prozesssteuerung, Sicherheit und Überprüfung der Wasserstoffreinheit erfordern.
Die Kenntnis der zu messenden Gase ist nur der erste Schritt. Die wichtigere technische Frage ist, wo die einzelnen Analysatoren installiert werden sollen, welcher Messbereich erforderlich ist und welches Messprinzip für die jeweilige Gaszusammensetzung geeignet ist. Bei ESEGAS betrachten wir die Wasserstoffanalyse prozessbezogen, da die korrekte Konfiguration der Analysatoren von der Produktionstechnologie, dem Messziel, dem Gashintergrund und der geforderten Genauigkeit abhängt.
Warum sind Gasanalysatoren bei der Wasserstoffproduktion notwendig?
Eine Wasserstoffproduktionsanlage kann kontinuierlich betrieben werden, obwohl sich die Gaszusammensetzung, die Trenneffizienz, die Reinheit oder die Prozesssicherheit verändern. Werden diese Veränderungen nicht frühzeitig erkannt, kann dies zu Wasserstoff außerhalb der Spezifikation, reduzierter Prozesseffizienz oder unsicheren Gasgemischen führen. Eine ordnungsgemäße Gasanalyse liefert kontinuierlich Informationen, die helfen, diese Probleme zu identifizieren, bevor sie die Anlagenleistung beeinträchtigen.
In Wasserstoffanlagen, Gasanalysatoren Sie werden im Allgemeinen für drei Hauptzwecke eingesetzt: Prozesssteuerung, Produktqualitätsprüfung und Sicherheitsüberwachung. Diese Funktionen überschneiden sich häufig, weshalb ein einzelnes Analysegerät selten für eine gesamte Produktionsanlage ausreicht.
Zur Prozesssteuerung können Gasanalysegeräte den Bedienern helfen, Reaktionseffizienz, Umsatzraten, Trennleistung und Reinigungsbedingungen zu bewerten. Bei der Dampfreformierung von Methan beispielsweise können Messungen von H₂, CO, CO₂ und CH₄ Aufschluss darüber geben, ob Reformierungs- und Shift-Reaktionen wie erwartet ablaufen.
Zur Qualitätskontrolle überprüfen Analysegeräte die Reinheit des Wasserstoffs und erkennen Verunreinigungen, die nachfolgende Anwendungen beeinträchtigen könnten. Je nach Endanwendung können dies Sauerstoff, Feuchtigkeit, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan oder Stickstoff sein.
Für die Sicherheitsüberwachung ist die Gasanalyse besonders wichtig in Prozessen, in denen Wasserstoff und Sauerstoff in Kontakt kommen können. Kontinuierliche Messungen ermöglichen die Erkennung von anormalen Übergängen oder Verunreinigungen, bevor die Konzentrationen einen unsicheren Betriebsbereich erreichen.
Welche Gasanalysatoren werden für die Wasserstoffproduktion mittels Wasserelektrolyse benötigt?
Die Wasserelektrolyse gilt oft als saubere und relativ einfache Methode zur Wasserstofferzeugung, die Gasüberwachung ist jedoch unerlässlich. Elektrolyseure produzieren Wasserstoff und Sauerstoff gleichzeitig, und die Membranleistung, Druckdifferenzen, die Betriebslast und die Effizienz der Gastrennung können den Übergang zwischen den beiden Stoffströmen beeinflussen.
Die wichtigste Gasanalysatoren In einer Elektrolyse-Wasserstoffanlage sind üblicherweise Wasserstoffanalysatoren, Sauerstoffanalysatoren und Feuchtigkeitsanalysatoren enthalten.
Wasserstoffanalysator
Ein Wasserstoffanalysator dient zur Messung der H₂-Konzentration oder der Wasserstoffreinheit an ausgewählten Punkten im Prozess. Je nach Anwendung kann er nach der Gastrennanlage, der Reinigungsanlage oder vor der endgültigen Wasserstofflieferung installiert werden.
Bei Wasserstoffströmen mit höherer Konzentration ist die Wärmeleitfähigkeitsmessung üblicherweise geeignet, da Wasserstoff eine deutlich andere Wärmeleitfähigkeit als viele andere Gase aufweist.
Bei ESEGAS können wir Wasserstoffanalysatoren entsprechend dem erwarteten Wasserstoffbereich, dem Hintergrundgas, dem Druck, der Temperatur und den Prozessbedingungen konfigurieren, anstatt jede Wasserstoffmessung als die gleiche Anwendung zu behandeln.
Sauerstoffanalysator
Die Sauerstoffmessung ist insbesondere auf der Wasserstoffseite eines Elektrolyseurs von großer Bedeutung. Schon geringe Änderungen der Sauerstoffkonzentration können auf Gasdurchtritt, eine Verschlechterung der Separatorleistung, Membranprobleme oder instabile Betriebsbedingungen hinweisen.
Ein Sauerstoffanalysator kann daher zur Überwachung folgender Punkte verwendet werden:
- O₂ im Wasserstoffstrom
- Sauerstoffgehalt nach der Gastrennung
- Sauerstoffkonzentration vor der Wasserstoffreinigung
- Sauerstoffverunreinigung im Endprodukt
Der erforderliche Erfassungsbereich hängt davon ab, ob die Messung der Prozessüberwachung, der Sicherheitskontrolle oder der Endproduktqualität dient.
Wasserstoff-in-Sauerstoff-Analysator
Der Sauerstoffstrom muss ebenfalls überwacht werden, da Wasserstoff auf die Sauerstoffseite gelangen kann.
Diese Messung unterscheidet sich von der Messung von Sauerstoff in Wasserstoff. Im einen Fall detektiert der Analysator O₂ in einem H₂-reichen Medium, im anderen Fall H₂ in einem O₂-reichen Medium. Diese unterschiedlichen Gasmatrices können verschiedene Analysatorkonfigurationen und Kalibrierstrategien erfordern.
Die Überwachung beider Richtungen des Crossovers ermöglicht den Bedienern ein besseres Verständnis der Trennleistung des Elektrolyseurs.
Feuchtigkeitsan alysator
Der aus einem Elektrolyseur austretende Wasserstoff enthält üblicherweise Wasserdampf, der bei der nachfolgenden Trocknung und Reinigung reduziert werden muss.
Zur Überprüfung kann nach dem Trockner oder der Reinigungsanlage ein Feuchtigkeitsanalysator installiert werden:
- Restfeuchtekonzentration
- Trocknerleistung
- Stabilität der Wasserstoffqualität
- Konformität des Endprodukts
Bei Wasserstoff, der empfindlichen nachgelagerten Prozessen zugeführt wird, kann die Feuchtigkeitsmessung genauso wichtig sein wie die Messung der Gesamtreinheit des Wasserstoffs.
Welche Gasanalysatoren werden für die Wasserstoffproduktion durch Dampfreformierung von Methan benötigt?
Die Dampfreformierung von Methan erzeugt ein deutlich komplexeres Gasgemisch als die Elektrolyse. Wasserstoff entsteht zusammen mit Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Restmethan, Wasserdampf und anderen Prozesskomponenten. Daher liefert die alleinige Messung des Wasserstoffgehalts nicht genügend Informationen für eine effektive Prozesssteuerung.
In SMR-Anlagen werden Mehrkomponenten-Systeme eingesetzt. Gasanalysatoren sind oft erforderlich, da die Bediener verstehen müssen, wie sich die Gaszusammensetzung im Reformer, im Shiftreaktor und im Wasserstoffreinigungssystem verändert.
Reformer Outlet Analyse
Am Reformerausgang sind typischerweise folgende Gase als Zielgase zu erwarten:
- H
- CO
- CO₂
- CH₄
Diese Messungen helfen dabei, die Reformierungseffizienz zu beurteilen und Veränderungen bei der Methanumwandlung zu identifizieren.
Ein unerwarteter Anstieg der Methankonzentration kann auf eine unvollständige Reformierung oder veränderte Prozessbedingungen hindeuten. Gleichzeitig liefern die CO- und CO₂-Konzentrationen zusätzliche Informationen über die Reaktionsbilanz.
Analyse des Auslasses der Wasser-Gas-Shift-Reaktion
Nach der Reformierung durchläuft das Gas üblicherweise eine oder mehrere Wassergas-Shift-Reaktionen. In diesem Abschnitt reagiert Kohlenmonoxid mit Wasserdampf zu zusätzlichem Wasserstoff und Kohlendioxid.
Typische Messgrößen sind:
- CO
- CO₂
- H
Die Rest-CO-Konzentration ist besonders wichtig, da sie die Leistungsfähigkeit der Shift-Umwandlung anzeigt.
PSA-Einlass- und Auslassanalyse
Die Druckwechseladsorption wird häufig zur Reinigung von Wasserstoff nach der Reformierung und der Shift-Konversion eingesetzt.
Am PSA-Einlass kann die Mehrkomponenten-Gasanalyse Informationen über das Gasgemisch liefern, das in die Reinigungsstufe eintritt.
Am PSA-Ausgang ändert sich das Messziel. Priorität hat nun die Wasserstoffreinheit und der Durchbruch von Restverunreinigungen wie beispielsweise:
- CO
- CO₂
- CH₄
Die kontinuierliche Überwachung kann dazu beitragen, eine Verschlechterung des Adsorptionsmittels, Veränderungen der Zyklusleistung oder anormale Reinigungsbedingungen zu erkennen.
Welche Gasanalysegeräte werden für die Kohle- oder Biomassevergasung benötigt?
Bei der Vergasung entsteht Synthesegas, das Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan und weitere Komponenten enthält. Die Gaszusammensetzung kann je nach Einsatzmaterial, Betriebsbedingungen des Vergasers, Temperatur, Oxidationsmittelzufuhr und nachgelagerter Aufbereitung erheblich variieren.
Dies ermöglicht die Herstellung von Mehrkomponentensystemen. Gasanalysatoren insbesondere wertvoll bei der Wasserstofferzeugung mittels Vergasung.
Typische Zielkomponenten sind:
- H
- CO
- CO₂
- CH₄
- O₂
Anstatt sich auf einen einzelnen Wasserstoffmesswert zu verlassen, können die Betreiber die gesamte Synthesegaszusammensetzung nutzen, um die Vergasungseffizienz, das Umwandlungsverhalten, die Leistung der nachgelagerten Verarbeitungsprozesse und die Reinigungsanforderungen zu bewerten.
Bei ESEGAS empfehlen wir generell, die gesamte Gasmatrix zu analysieren, bevor der Analysator ausgewählt wird. Für komplexe Synthesegasanwendungen können verschiedene Messprinzipien in einem Analysesystem kombiniert werden, sodass mehrere Gase gleichzeitig überwacht werden können.
Welche Verunreinigungen sollten im produzierten Wasserstoff überwacht werden?
Eine hohe Wasserstoffkonzentration bedeutet nicht automatisch, dass das Gas die Anforderungen seiner Endanwendung erfüllt. Bereits geringe Konzentrationen bestimmter Verunreinigungen können Brennstoffzellen, Katalysatoren, Kompressionsanlagen, Speichersysteme oder nachgelagerte chemische Prozesse beeinträchtigen.
Die erforderlichen Verunreinigungsmessungen hängen daher davon ab, wie der Wasserstoff verwendet wird.
| Verunreinigung | Warum es überwacht werden sollte | Gemeinsame Quelle |
| O₂ | Sicherheit und Produktreinheit | Elektrolyseübergang, Lufteintritt |
| H₂O | Produktqualität und Schutz nachgelagerter Bereiche | Elektrolyse, Nassprozessgas, Trocknungsstufe |
| CO | Reinheit und Katalysatorschutz | SMR, Vergasung |
| CO₂ | Reinheit und Prozesskontrolle | SMR, Vergasung |
| CH₄ | Reformierung von Effizienz und Reinheit | Dampf Methan Reforming |
| Nein | Wasserstoffreinheit | Lufteintritt oder Futtermittelverunreinigung |
Deshalb sollte die Wasserstoffqualität nicht allein anhand eines einzigen Reinheitswertes bewertet werden. Ein Wasserstoffstrom kann hochrein erscheinen, obwohl er geringe Konzentrationen von Verunreinigungen enthält, die für die nachfolgende Anwendung relevant sind.
Auswahl der richtigen Gasanalysatoren Daher sind sowohl Konzentrationsmessungen als auch verunreinigungsspezifische Analysen erforderlich.
Welche Messtechnologien werden für die Gasanalyse bei der Wasserstoffproduktion eingesetzt?
Unterschiedliche Gase interagieren auf unterschiedliche Weise mit Messtechnologien. Daher gibt es kein einzelnes Messprinzip, das für jede Anwendung in der Wasserstoffproduktion ideal ist.
Bei ESEGAS basiert die Konfiguration des Analysators auf dem Zielgas, dem Konzentrationsbereich, dem Hintergrundgas, potenziellen Störungen, der Ansprechzeit und den Prozessbedingungen.
Messung der Wärmeleitfähigkeit
Die Wärmeleitfähigkeitsmessung wird häufig zur Messung der Wasserstoffkonzentration eingesetzt, da Wasserstoff im Vergleich zu vielen anderen Gasen eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt.
Es eignet sich für:
- Wasserstoffreinheitsmessung
- Analyse des hohen H₂-Anteils
- Prozesswasserstoffüberwachung
- ausgewählte binäre oder quasibinäre Gasmischungen
Allerdings muss das Hintergrundgas sorgfältig geprüft werden, da Änderungen anderer Gaskomponenten das Messergebnis beeinflussen können.
NDIR-Messung
Die nichtdispersive Infrarottechnologie wird häufig bei infrarotaktiven Gasen wie beispielsweise folgenden angewendet:
- CO
- CO₂
- CH₄
Dadurch ist NDIR besonders nützlich bei SMR-, Shift-Conversion-, Synthesegas- und Vergasungsanwendungen.
Ein Mehrkomponenten-Prozessanalysator kann NDIR-Kanäle für CO, CO₂ und CH₄ mit einem anderen Messprinzip für H₂ oder O₂ kombinieren.
Sauerstoffmesstechnologien
Sauerstoff kann je nach Anwendung mit verschiedenen Technologien gemessen werden.
Diese können beinhalten:
- paramagnetische Messung
- Elektrochemische Sensoren
- Zirkonoxidbasierte Messung
Die richtige Technologie hängt vom Sauerstoffbereich, dem Hintergrundgas, den Betriebsbedingungen, der erforderlichen Ansprechgeschwindigkeit und davon ab, ob die Messung zur Prozesskontrolle oder zum Nachweis von Sauerstoffspuren dient.
TDLAS-Messung
Die abstimmbare Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie kann für ausgewählte schnelle Messungen und Messungen niedriger Gaskonzentrationen nützlich sein.
Je nach Anwendung kann TDLAS für Folgendes verwendet werden:
- Feuchtemessung
- ausgewählte Spurengasanalyse
- In-situ- oder Extraktionsprozessüberwachung
Durch seine schnelle Reaktionszeit ist es für dynamische Wasserstoffproduktionsprozesse attraktiv.
Wo sollten Gasanalysatoren in einer Wasserstoffanlage installiert werden?
Selbst die beste Analysetechnik liefert keine brauchbaren Informationen, wenn der Messpunkt ungeeignet gewählt ist. Der Standort des Gasanalysegeräts sollte daher in Abstimmung mit dem Prozessziel festgelegt werden.
Ein vereinfachter Wasserstoffproduktionsprozess könnte folgendermaßen aussehen:
Zufuhr von Wasser oder anderen Stoffen → Reaktion oder Elektrolyse → Gastrennung → Reinigung → Trocknung → Endprodukt: Wasserstoff
Typische Standorte für Analysatoren sind:
- Wasserstoffauslass des Elektrolyseurs
- Sauerstoffauslass des Elektrolyseurs
- Reformer Outlet
- Wasser-Gas-Umschaltauslass
- PSA-Einlass
- PSA-Ausgabe
- Trockneranschluss
- Endgültige Wasserstoffproduktlinie
Jeder Messpunkt dient einem anderen Zweck.
Ein Analysator, der direkt nach einem Elektrolyseur installiert wird, konzentriert sich beispielsweise auf Crossover und Prozesssicherheit, während ein Analysator, der nach dem letzten Trockner installiert wird, den Fokus auf Wasserstoffqualität und Feuchtigkeitsspezifikation legt.
Beim Entwerfen Gasanalysatoren Für diese Anwendungen ist auch die Probenaufbereitung wichtig. Druck, Temperatur, Kondensat, Partikel, Durchflussrate und korrosive Komponenten können die Zuverlässigkeit des Analysators beeinträchtigen.
Sollten Sie ein Ein-Gas- oder ein Mehrkomponenten-Gasanalysegerät verwenden?
Wasserstoffanlagen benötigen häufig sowohl spezielle Einzelgasanalysatoren als auch Mehrkomponentensysteme. Die beste Wahl hängt vom Messziel und nicht allein von der Anzahl der Gase ab.
| Einzelgasanalysator | Mehrkomponenten-Gasanalysator |
| Fokussiert auf eine entscheidende Komponente | Misst mehrere Prozessgase |
| Geeignet für spezielle Sicherheits- oder Reinheitsmesspunkte | Geeignet für komplexe Prozessströme |
| Einfaches Messziel | Liefert umfassendere Prozessinformationen |
| Wird häufig für O₂, H₂ oder Feuchtigkeit verwendet. | Wird häufig für H₂-, CO-, CO₂- und CH₄-Verbindungen verwendet. |
Für Elektrolyseanlagen können spezielle Analysegeräte für kritische Sauerstoff-in-Wasserstoff- und Wasserstoff-in-Sauerstoff-Messungen geeignet sein.
Für SMR- und Vergasungsanlagen, Mehrkomponenten- Gasanalysatoren bieten oft einen größeren Nutzen, da mehrere Gase gemeinsam interpretiert werden müssen, um die Prozessleistung zu verstehen.
Bei vielen Projekten ist die effektivste Lösung eine Kombination beider Ansätze.
Wie wählt man den richtigen Gasanalysator für die Wasserstoffproduktion aus?
Die alleinige Auswahl eines Analysators anhand der Gasbezeichnung kann zu Messfehlern oder unnötigen Systemkosten führen. Ein für einen Prozessstrom geeigneter Wasserstoffanalysator kann in einem anderen Prozessstrom aufgrund unterschiedlicher Hintergrundgase, Konzentrationsbereiche, Luftfeuchtigkeit, Druck und Störgase ungenau funktionieren.
Bei ESEGAS empfehlen wir, vor der Auswahl die folgenden Faktoren zu berücksichtigen. Gasanalysatoren für ein Wasserstoffproduktionsprojekt:
- Wasserstoffproduktionsmethode
Elektrolyse, SMR, Vergasung und andere Wasserstoffverfahren erzeugen unterschiedliche Gaszusammensetzungen. - Zielgaskomponenten
Ermitteln Sie, ob die Anwendung H₂, O₂, CO, CO₂, CH₄, Feuchtigkeit oder mehrere Komponenten gleichzeitig benötigt. - Messbereich
Für prozentuale Prozessmessungen und den Nachweis von Spurenverunreinigungen sind unterschiedliche Analysatorkonfigurationen erforderlich. - Hintergrundgaszusammensetzung
Das Matrixgas kann die Eignung und Genauigkeit des gewählten Messprinzips beeinflussen. - Probendruck und Temperatur
Anhand dieser Bedingungen wird entschieden, ob eine Probenaufbereitung, Druckreduzierung, Kühlung oder Erwärmung erforderlich ist. - Erforderliche Reaktionszeit
Sicherheitsrelevante Messungen und sich schnell ändernde Prozessabläufe erfordern möglicherweise eine schnellere Analysatorreaktion. - Messziel
Prozessoptimierung, Sicherheitsüberwachung und abschließende Qualitätsprüfung erfordern oft unterschiedliche Messstrategien.
Durch die Überprüfung dieser Bedingungen vor der Geräteauswahl können wir ein zuverlässigeres und anwendungsspezifischeres Gasanalysesystem konfigurieren.
Welche Gasanalyselösungen kann ESEGAS für die Wasserstoffproduktion anbieten?
Die Wasserstoffproduktion erfordert selten eine einheitliche Gasanalyse. Elektrolyseur, Reformer, Vergaser, PSA-Anlage und die finale Wasserstoffproduktionslinie können jeweils unterschiedliche Messbereiche und Analysetechnologien benötigen.
Bei ESEGAS bieten wir Gasanalyselösungen an, die für Anwendungen wie die folgenden konfiguriert werden können:
- Messung der Wasserstoffkonzentration und -reinheit
- Sauerstoffüberwachung
- H₂/O₂-Übergangsanalyse
- Prozessanalyse von CO, CO₂ und CH₄
- Mehrkomponenten-Prozessgasanalyse
- Synthesegasanalyse
- Feuchtigkeits- und ausgewählte Spurengasüberwachung
- kundenspezifische Probenkonditionierungssysteme
Unser Ansatz geht von den tatsächlichen Prozessbedingungen aus, anstatt zunächst ein Gerätemodell auszuwählen. Wir bewerten die Zielgase, Konzentrationsbereiche, die Zusammensetzung des Hintergrundgases, Druck, Temperatur, Messpunkt und die erforderliche Ansprechzeit, bevor wir eine geeignete Lösung empfehlen.
Dies ist besonders wichtig für Gasanalysatoren wird bei der Wasserstoffproduktion eingesetzt, da für dieselbe Zielkomponente je nach Messort eine völlig andere Messkonfiguration erforderlich sein kann.
Fazit
Für die Wasserstoffproduktion ist kein universelles Gasanalysegerät erforderlich. Das geeignete Analysesystem hängt vom Produktionsprozess, dem Messpunkt, der Gaszusammensetzung und den Anforderungen an die Endqualität des Wasserstoffs ab.
Elektrolyseanlagen benötigen typischerweise die Überwachung von H₂, O₂ und Feuchtigkeit, insbesondere zur Kontrolle von Crossover-Effekten und zur Sicherstellung der Wasserstoffqualität. Anlagen zur Methan-Dampfreformierung benötigen in der Regel die Analyse von H₂, CO, CO₂ und CH₄ während der Reformierung, der Shift-Konversion und der Reinigung. Wasserstoffanlagen auf Vergasungsbasis profitieren von der Mehrkomponenten-Synthesegasanalyse, während die Produktionslinien für den fertigen Wasserstoff gegebenenfalls eine separate Überwachung von Verunreinigungen und Feuchtigkeit erfordern.
Bei ESEGAS wählen und konfigurieren wir Gasanalysatoren Anstatt eine Standardlösung für jede Wasserstoffanlage anzuwenden, orientieren wir uns an den realen Prozessbedingungen. Durch die Abstimmung der Analysetechnologie auf Produktionsverfahren, Messbereich, Gasmatrix und Anwendungsziel unterstützen wir Wasserstoffproduzenten dabei, eine zuverlässigere Prozesssteuerung, einen sichereren Betrieb und eine gleichbleibende Wasserstoffqualität zu erreichen.
