Die dezentrale Energieversorgung gewinnt mit dem Ausbau erneuerbarer Energien zunehmend an Bedeutung. Um Strom aus Wind- und Solaranlagen flexibel speichern und bedarfsgerecht bereitstellen zu können, sind leistungsfähige Speicher- und Steuerungskonzepte erforderlich. Mit dem „H2PowerCube“ stellt H2 Powercell ein containerbasiertes Energiesystem vor, das Elektrolyseure, Brennstoffzellen und Batteriespeicher in einer modularen Architektur vereint. Die Automatisierung übernimmt eine PC-basierte Steuerungslösung von Beckhoff. Das System eignet sich unter anderem für Wasserstofftankstellen, Microgrids sowie Sektorenkopplungsprojekte und kann elektrische sowie thermische Energie dezentral bereitstellen.
Modular aufgebaute dezentrale Energieversorgung
Kern der Lösung ist das modulare Elektrolyseursystem „H2PowerLyzer“. Bis zu 24 dieser Module lassen sich in einem Container kombinieren und erreichen gemeinsam eine Leistung von bis zu 1,2 Megawatt. Durch die konsequente Modularisierung lassen sich unterschiedliche Anwendungen flexibel realisieren. Nach Angaben von H2 Powercell ersetzt dieses Konzept die bislang häufig eingesetzten, starr aufgebauten Wasserstoffanlagen. Gleichzeitig reduziert die einheitliche Systemarchitektur Integrationsaufwand und erleichtert spätere Erweiterungen. „Wir bieten unseren Kunden nicht nur zukunftsfähige Wasserstoff-Technologie, sondern einsatzbereite Lösungen, die exakt auf die Bedürfnisse des Marktes ausgerichtet sind“, sagt Geschäftsführer Sebastian Niehoff und ergänzt: „Damit kann der Anwender nicht nur am Energiemarkt teilnehmen, sondern auch dezentral die Netze stabilisieren, was angesichts der Diskussion um die Resilienz der Infrastruktur ein brandaktuelles Thema ist.“
PC-basierte Steuerung vernetzt alle Energiesysteme
Die zentrale Steuerungsaufgabe übernimmt ein Industrie-PC „C6015“ von Beckhoff. Er verarbeitet sämtliche Prozessdaten und synchronisiert Elektrolyse, Brennstoffzelle und Batteriespeicher in Echtzeit. Die dezentrale Erfassung der Sensor- und Prozessdaten erfolgt über Ethercat-Klemmen. Temperatur-, Druck- und Durchflusswerte werden kontinuierlich erfasst und an die zentrale Steuerung übertragen. Gleichzeitig lassen sich unterschiedliche Feldbus- und Kommunikationsprotokolle integrieren. „Die Leistungsfähigkeit der Steuerungstechnik spielt eine zentrale Rolle“, erklärt Jens Fröhlich, verantwortlich für Automatisierung und Systemintegration bei H2 Powercell. Insbesondere die kontinuierliche Überwachung der Elektrolyseure erzeuge eine hohe Datenmenge, die in Echtzeit verarbeitet werden müsse.
Dezentrale Energieversorgung erhöht Sicherheit
Auch das Sicherheitskonzept ist vollständig in die Automatisierungsarchitektur integriert. Anstelle großflächiger Explosionsschutzzonen setzt H2 Powercell auf eine aktive Überwachung des Containers. Eine redundante Lüftungsanlage arbeitet mit einer sensiblen Gasdetektion zusammen, sodass gefährliche Wasserstoffkonzentrationen frühzeitig erkannt und verhindert werden. Die sicherheitsgerichtete Steuerung erfolgt über „TwinSAFE“ sowie Safety-over-Ethercat. „Im Wasserstoffbereich hat Sicherheit oberste Priorität“, betont Manfred Limbrunner, Business Development, Sales & Marketing bei H2 Powercell. Änderungen an Normen oder Richtlinien könnten dadurch vergleichsweise einfach in der Software umgesetzt werden.
Modulare Software vereinfacht Skalierung und Integration
Für die Steuerung sämtlicher Prozesse kommt die Automatisierungsplattform „TwinCAT“ zum Einsatz. Die Software bildet die komplexen thermodynamischen Prozesse ebenso ab wie die Hydraulikregelung des Ein-Kreislauf-Systems, bei dem das Prozesswasser gleichzeitig als Kühlmedium dient. Die objektorientierte Programmierung ermöglicht es, einmal entwickelte Softwarebausteine für zusätzliche Elektrolyseurmodule wiederzuverwenden. Dadurch bleibt die Lösung auch bei einer späteren Erweiterung übersichtlich und skalierbar.
Nach außen reduziert sich die Anlage auf lediglich fünf Schnittstellen für Wasserstoff, elektrische Energie, Fernwärme, Abluft beziehungsweise Abwasser sowie Steuerung und Fernzugriff. Die Kommunikation mit Ladesäulen, Photovoltaikanlagen, Batteriespeichern oder Netzleitstellen erfolgt unter anderem über OPC UA und Modbus TCP.
Dezentrale Energieversorgung als Basis für KI-Anwendungen
Perspektivisch soll das System durch Funktionen der Künstlichen Intelligenz erweitert werden. Die mit „TwinCAT Scope“ aufgezeichneten Prozessdaten sollen künftig genutzt werden, um den Zustand der Elektrolyseure automatisiert zu bewerten. Geplant ist unter anderem eine KI-gestützte Analyse der Membranalterung sowie eine Anomalieerkennung in Echtzeit. „Für ein derartiges Monitoring steht mit ,TwinCAT Machine Learning Creator' zur KI-basierten Analyse ein vielseitig nutzbares Werkzeug zur Verfügung. Künftig ermöglichen KI-Modelle auf Basis von Zeitreihen eine Anomaliedetektion in Echtzeit“, skizziert abschließend Robin Bertling aus dem Vertrieb von Beckhoff den nächsten Entwicklungsschritt.
Mit der Kombination aus Elektrolyse, Brennstoffzelle, Batteriespeicher und durchgängiger Automatisierung verfolgt H2 Powercell das Ziel, die dezentrale Energieversorgung flexibel skalierbar und wirtschaftlich umzusetzen. Die PC-basierte Steuerung bildet dabei das digitale Rückgrat des gesamten Energiesystems.
