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Jan 20, 2024

Schneider Electric

Schneider Electric – Der Fokus auf Wasserstoffsicherheit steht im Einklang mit der wachsenden Wirtschaft. Wasserstoff wird voraussichtlich eine wichtige Quelle sauberer Energie sein und ein wesentlicher Bestandteil von Energien und Chemikalien sein

Schneider Electric – Der Fokus auf Wasserstoffsicherheit steht im Einklang mit der wachsenden Wirtschaft.

Wasserstoff wird voraussichtlich eine wichtige Quelle sauberer Energie sein, die ein integraler Bestandteil der Netto-Null-Strategie von Energie- und Chemieunternehmen sein würde und den Bedarf an Wasserstoffsicherheitsprozessen, -systemen und Best Practices erhöhen würde.

Wasserstoff ist ein transportabler Energieträger und verfügt über ein hohes Energiepotenzial, das als Kraftstoff für Transport, Stromerzeugung, Heizung und industrielle Anwendungen genutzt werden kann. Im Gegensatz zu Erdgas erzeugt Wasserstoff eine saubere Verbrennung ohne Treibhausgasemissionen. Aus brand- und explosionsgefährlicher Sicht ist Wasserstoff jedoch weniger sicher als Erdgas, da es sich leichter entzünden kann.

Es hat eine niedrigere Zündenergie, einen größeren Bereich an brennbaren Konzentrationen, ist anfälliger für Leckagen, hat keinen Geruch, brennt heißer als Erdgas und kann einen höheren Überdruck und eine höhere Explosion erzeugen. Ein größerer Bereich brennbarer Konzentrationen und eine schnelle Flammengeschwindigkeit bedeuten, dass Wasserstoffverbrennungen schwieriger zu kontrollieren sind.

Wasserstoff hat einen höheren Heizwert pro Pfund, erfordert aber ein viel größeres Volumen, um die gleiche Energiemenge wie Erdgas zu erzeugen. Nachfolgend finden Sie eine Tabelle, die die physikalischen Eigenschaften zwischen Wasserstoff, Methan/Erdgas und Benzin/Benzin zeigt.

Der ARIA-Datenbankbericht des Bureau for Analysis of Industrial Risk and Pollution (BARPI) lieferte eine Analyse von 215 industriellen wasserstoffbedingten Unfällen weltweit. Der Großteil (60–70 %) dieser Wasserstoffunfälle ereignete sich in der Energie- und Chemieindustrie. Es ist nicht klar, wie viel Prozent dieser Daten mit der Produktion von grünem Wasserstoff zusammenhängen, aber die Zahlen sind höchstwahrscheinlich gering, da die Unfalldaten vor 2007 zusammengestellt wurden.

Eine interessante Beobachtung der Statistik ist, dass 70 % der Unfälle auf „organisatorisches und menschliches Versagen“ zurückzuführen sind. Daher sollte sich die Prävention auf das Bewusstsein für Wasserstoffrisiken und die Sicherheitsverfahren des Unternehmens konzentrieren.

Da jedoch mehr als 90 % des erzeugten Wasserstoffs aus fossilen Brennstoffen stammen und hauptsächlich in der Raffinerie- und Düngemittelindustrie verwendet werden, erfordern die üblichen Industriepraktiken und -vorschriften die Installation einer hohen Verfügbarkeit funktionaler Sicherheitssysteme für die Prozesssicherheit.

Grüner Wasserstoff-Elektrolyseur

Das Grundkonzept der Produktion von grünem Wasserstoff ist der Elektrolyseprozess, bei dem Wassermoleküle durch Elektrifizierung in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten werden. Um als grüner Wasserstoff bezeichnet zu werden, muss der Strom aus erneuerbarer Energie stammen. Eine typische Anlage für grünen Wasserstoff arbeitet mit einem Elektrolyseur von 5 bis 25 MW, wir sehen jedoch, dass größere Anlagenkapazitäten mit mehr als 100 MW geplant sind.

Steigern Sie die Elektrifizierung und erhöhen Sie die Produktionskapazität

Die Herausforderung für die Produktion von grünem Wasserstoff, insbesondere wenn er in Chemie-, Raffinerie- oder Petrochemieanlagen integriert ist, besteht nicht in der Sicherheit, sondern in der Vergrößerung der Produktionskapazität und des Elektrifizierungsprozesses. Arbeitssicherheitsstandards wie Occupational Safety and Health Administration (OSHA), Process Safety Management, ISO, NFPA, IEC usw. umfassen bereits brennbare Gase wie Wasserstoff.

Wasserstoff wird typischerweise durch einen thermochemischen Prozess namens Dampfreformierung hergestellt. Er wird oft als grauer Wasserstoff bezeichnet. Dieser Prozess ähnelt anderen thermochemischen Prozessen innerhalb der Anlage und ist daher in die Anlagensicherheit integriert. Beispielsweise wird in einer Raffinerie eine große Menge grauer Wasserstoff produziert und im Hydrodesulfurierungsprozess und Hydrocracking-Prozess genutzt.

Blauer Wasserstoff, der zur Dekarbonisierung des grauen Wasserstoffs auf CCUS angewiesen ist, ändert auch nichts am Sicherheitsprotokoll in diesen Anlagen. Grüner Wasserstoff, der auf einem Elektrifizierungsprozess basiert, unterscheidet sich von thermochemischen Prozessen – einem Prozess, der in herkömmlichen Chemie-, Raffinerie- und Petrochemiebetrieben nicht bekannt ist.

Beispielsweise benötigen die Elektrolyseure, die den Dampf-Methan-Reformer ersetzen, für eine typische Raffinerie mit 150.000 Barrel pro Tag eine zusätzliche Netzleistung von 100 MW, um grünen Wasserstoff zu erzeugen. Das sind fast 200 % mehr als der herkömmliche Netzstrom, der für eine ganze Raffinerie dieser Kapazität benötigt wird. Für eigenständige Hersteller von grünem Wasserstoff wird der Produktionsumfang bei einer Vergrößerung von 25 MW auf 100 MW ähnliche Herausforderungen mit sich bringen.

Gleichrichtersteuerung und höhere Leistungslast erfordern eine größere elektrische Infrastruktur und elektrische Sicherheitsmaßnahmen. Die Integration erneuerbarer Stromquellen mit herkömmlicher Energie aus fossilen Brennstoffen zur Erzeugung von Wasserstoff kann ein Übergangs- oder Hybridprozess sein, der eine Optimierung des Mikronetzes erfordert. Die kombinierte Energie- und Prozesssicherheit wird aus Sicht des Lebenszyklus, einschließlich Design, Technik, Betrieb und Wartung, immer wichtiger.

Wasserstoffsicherheitsstandards

Es gibt mehrere bestehende Industriestandards, die sich auf Wasserstoff beziehen:

Wasserstoffgaspipelines werden unter höherem Druck betrieben, was bei älteren Pipelines zu Versprödung, kleinen Rissen und Dellen führen kann, was zu Undichtigkeiten und Brüchen führen kann. Die allgemeinen Richtlinien und Forschungsergebnisse gehen bisher davon aus, dass eine bestehende Gaspipeline bis zu 20 % Wasserstoffmischungen verarbeiten kann. Für die Speicherung und den Transport von Wasserstoff werden häufig Materialien wie Stahllegierungen, Verbundwerkstoffe und Spezialpolymere verwendet.

Im Lagerbereich sollten ein geeignetes Leckerkennungssystem und ein geeignetes Belüftungssystem installiert sein, um eine Verbrennung zu verhindern. Die Umwandlung von Wasserstoff in Ammoniak und Methanol gilt als guter Energieträger für den einfachen voluminösen Flüssigkeitstransport. Einige der Standards für den Wasserstoff- und Ammoniaktransport sind möglicherweise veraltet und nicht für den großen Maßstab geeignet.

Die Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff bei der Kohlenwasserstoffverarbeitung kann eine Herausforderung darstellen, da Wasserstoff heißer verbrennt als Erdgas. Daher muss der Metallauswahl besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden.

Integration elektrischer Sicherheit in Prozesssicherheit

Wasserstoffanwendungen sind im Energie- und Chemiebereich nichts Neues. Die Elektrifizierung mit grünem Wasserstoff wird Teil der Risikobewertungen im Rahmen der HAZOP (Hazard and Operability Study) sein. Sicherheitsexperten müssen die elektrischen Risiken neu bewerten und eine elektrische HAZOP durchführen. Zu den neuen Sicherheitsbedenken gehört die Überhitzung von Kabeln, die zu einer Stromabschaltung oder einem Lichtbogenüberschlag führen kann.

Prozesssicherheit und elektrische Sicherheit müssen kombiniert werden, da der Prozess immer stromintensiver wird. Die Stromversorgung ist für grünen Wasserstoff von entscheidender Bedeutung, da sie etwa 70–80 % der Gesamtkosten für die Erzeugung von grünem Wasserstoff ausmacht. Wesentlich höhere elektrische Lasten und elektrische Infrastruktur, die durch die Wasserstoffproduktion nicht vorhersehbar sind, führen zu neuen Sicherheitsbedenken.

Die durch die IT/OT-Konvergenz ermöglichte Digitalisierung erfordert strengere Cybersicherheitsprotokolle. Cybersicherheitsstrategien sollten in die Best Practices für die Prozesssicherheit einbezogen werden, da Cybersicherheit im Wesentlichen digitale Sicherheit und eine Schlüsselkomponente zum Schutz der Betriebszeit, Sicherheit und des Schutzes kritischer Infrastrukturen ist.

Best Practices für die Prozesssicherheit bei der Wasserstoffproduktion

Richtig konzipiert – Prozessdesigns sollten Wasserstoffsicherheitsstandards und -protokolle aus HAZOP-, PHA-, LOPA- und SIL/SIF-Studien berücksichtigen. Die Entwicklung eines digitalen Zwillings der Wasserstoffanlage und ihrer Anlagen wird sich auf die Sicherheit der Anlage während ihres gesamten Lebenszyklus auswirken. Beispielsweise schulen dynamische Simulationen und Bedienerschulungen auf Basis digitaler Zwillinge Bediener im Umgang mit ungewöhnlichen Gefahrensituationen. Integration der IEC 62443-Designpraxis für Cybersicherheit in IT und OT.

Gut gebaut – Das integrierte Steuerungs- und Sicherheitssystem automatisiert den Prozess und bietet die wirksamste Vorbeugung gegen ungewöhnliche Situationen. Es ist wichtig, das Cybersicherheitsdesign nach IEC 62443 in die IT/OT-Verbindung, Gerätehärtung, Remote-Zugriffspunkte und Firewalls zu integrieren.

Sorgen Sie für eine ausreichende Belüftung in Bereichen, in denen Wasserstoff erzeugt oder gespeichert wird, um die Ansammlung von Wasserstoffgas zu verhindern. Installieren Sie Wasserstoffgasdetektoren und Überwachungssysteme, um Lecks oder abnormale Gaskonzentrationen umgehend zu erkennen. Kalibrieren und warten Sie diese Überwachungssysteme regelmäßig.

Sicher betrieben – Da sich Abläufe dynamisch ändern, müssen sich auch Prozesse, Menschen und Technologie weiterentwickeln. Eine Alarmmanagementlösung priorisiert Alarme und behebt Probleme mit der Alarmflut. Sicherheitsdatenanalysesysteme überwachen und überprüfen Sicherheitsabläufe und geben Empfehlungen für Reparaturen oder Änderungen. Bedienerschulungssysteme und Augmented-Reality-Softwarelösungen stellen sicher, dass die Bedienerfähigkeiten auf dem neuesten Stand sind.

Fernoperationen zur Verbesserung der Arbeitssicherheit werden durch Digitalisierungstechnologien wie Cloud und erweiterte Analysen ermöglicht. Durch die Erkennung, Sensibilisierung und Schulung der Cybersicherheit wird ein sicherer Betrieb gewährleistet.

Ordnungsgemäß geprüft – Verfahrensautomatisierung und Rundgänge durch Mobilfunkbetreiber stellen sicher, dass die Anlagen zuverlässig funktionieren und Sicherheitsverfahren eingehalten werden. Cybersicherheit steht bei den meisten CIOs ganz oben auf der Tagesordnung, und Cybersicherheitsaudits können ein guter Ausgangspunkt sein.

Gut gewartet – Eine Modernisierung der Steuerungssysteme wird in Betracht gezogen, wenn das System altert und die Zuverlässigkeit zum Problem wird. Asset-Performance-Management-Lösungen gewährleisten die Asset-Zuverlässigkeit von Instrumenten, Ventilen, Kompressoren und Pumpen. Verfahren zur Wiederherstellung von Cybersicherheitsreaktionen und Software-Patch-Management sind wesentliche Bestandteile der Wartung. Angemessene persönliche Schutzmaßnahmen wie PSA, Absturzsicherung und Zugangssicherung schützen Arbeitnehmer vor Verletzungen und Krankheiten.

Die Integration elektrischer Sicherheit und Prozesssicherheit wird im Zuge der zunehmenden Elektrifizierung von entscheidender Bedeutung sein. Die wirksamste Strategie zur elektrischen Sicherheit ist die Prävention. Ziel ist es, Menschen zu schützen und Brände zu verhindern.

Best Practices für die elektrische Sicherheit bei der Wasserstoffproduktion

Richtig konzipiert – Überprüfen Sie während der Entwurfsphase das elektrische Systemdesign mit Experten für Stromversorgungssysteme.

Gut gebaut – Die standardmäßig eingebauten Stromversorgungssysteme wie Mittelspannungs-Schalttafeln, Niederspannungs-Leistungsschalter und Motorsteuerzentralen schützen vor elektrischen Gefahren. Erwägen Sie weitere innovative Lösungen wie Lichtbogenerkennung, drahtlose, energieautarke Wärmeüberwachung, gehäusebasierte Lichtbogenbeständigkeit, Onboard-Racking, Remote-Racking und Fernsteuerung.

Sicher betrieben – Stellen Sie mit haptischen Virtual-Reality-Lösungen eine angemessene Schulung zur elektrischen Sicherheit eines Betriebs sicher

Ordnungsgemäß geprüft – Prüfen Sie elektrische Systeme mit der Modernization, Performance, Safety (MPS) Enterprise Study und einer Arc Flash Study

Gut gewartet – Warten, verbinden und überwachen Sie elektrische Anlagen sicher mit Fernanalysen und Expertendiagnosen.

Sicherheit wird für Energie- und Chemieunternehmen immer oberste Priorität haben, und die Sicherheit wird sich mit dem Aufstieg der Wasserstoffwirtschaft weiterentwickeln. Als globaler Spezialist für Energiemanagement, industrielle Automatisierung und Digitalisierung kann Schneider Electric eine wichtige Rolle dabei spielen, Kunden bei der Entwicklung, Konstruktion, dem Betrieb und der Wartung von grünem Wasserstoff dabei zu helfen, sicherer, effizienter, zuverlässiger und kostengünstiger zu werden.

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Der Fokus auf Wasserstoffsicherheit steht im Einklang mit der wachsenden Wirtschaft, 8. August 2023