H2-Readiness in der Kraftwerkstechnik

Grüner Pioniergeist

H2-Readiness ist durch die Energiewende zum Schlagwort bei Gaskraftwerken geworden: Wird in ihnen Wasserstoff mitverbrannt, senkt das ihre Kohlendioxid-Emissionen. Endress+Hauser hat mit moderner Analyse- und Messtechnik ein System entwickelt, dass die Beimischung automatisch genau steuert und inline validiert. Es bietet der Branche bei der schnellen Transformation zu mehr Nachhaltigkeit große Chancen, wie erste Erfahrungen in den USA zeigen.
 Endress+Hauser hat mit moderner Analyse- und Messtechnik ein System entwickelt, dass die 
Beimischung automatisch steuert und inline validiert.
Endress+Hauser hat mit moderner Analyse- und Messtechnik ein System entwickelt, dass die Beimischung automatisch steuert und inline validiert.Bild: Endress + Hauser Management AG

Ein großes Schlagwort in der Energiebranche lautet derzeit: H2-Readiness. „Betreiber wollen ihre Anlagen bereit für Wasserstoff machen. Das Gas soll dabei in immer größeren Mengen dem Erdgas beigemischt werden, um den Gesamt-Kohlenstoffgehalt des Brennstoffs zu senken“, erklärt Cory Marcon, Branchenmanager für Kraftwerke und Energie bei Endress+Hauser in den USA. Irgendwann, so die Erwartung der Branche, kann Wasserstoff das Erdgas ganz ersetzen. Wird dieser dann auch noch per Elektrolyse mit Hilfe von Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt, würden die Kraftwerke CO2-neutral laufen. Ein Vorreiter auf diesem schrittweisen Weg in Richtung Dekarbonisierung ist das kombinierte Gas- und Dampfkraftwerk von Long Ridge Energy im US-Bundesstaat Ohio. Die 485MW-Anlage hat im Oktober 2021 ihren Betrieb aufgenommen und wurde als eine der ersten Anlagen der Welt speziell mit dem Ziel errichtet, reinen Wasserstoff in Verbindung mit Erdgas zur Befeuerung der Turbine zu nutzen. Dafür braucht es vor allem eine gute Prozesssteuerung: „Wasserstoff ist hochreaktiv und weist ganz andere Brenneigenschaften als Erdgas auf. Zu den Herausforderungen gehören u.a. Verbrennungsinstabilitäten und zu hohe Stickstoffoxid-Bildung. Außerdem zeichnet sich Wasserstoff aufgrund seiner geringeren Dichte auch durch einen niedrigeren volumetrischen Heizwert aus. Daher muss die Mischung exakt gesteuert werden, um die Anlage sicher und wirtschaftlich zu betreiben“, erläutert Marcon. Dabei geht es vor allem darum, die jeweils maximal mögliche Beimischungsmenge nicht zu überschreiten.

 Das Werk verwendet ein Wasserstoff-Einspritzsystem mit Mischungsvalidierung.
Das Werk verwendet ein Wasserstoff-Einspritzsystem mit Mischungsvalidierung.Bild: Endress + Hauser Management AG

Durchfluss und Raman kombiniert

Long Ridge Energy suchte deshalb nach einem genauen Wasserstoff-Einspritzsystem mit Mischungsvalidierung, das mit moderner Messtechnik arbeitet und auch für die Skalierung des Betriebs geeignet ist. Dafür vertraute der Energieerzeuger auf Endress+Hauser. Am Wasserstoff-Einspritzpunkt wurde das Coriolis-Durchflussmessgerät Promass Q installiert. Es misst selbst unter schwankenden Prozessbedingungen höchstgenau Massefluss, Dichte und Volumenstrom. Damit wird sichergestellt, den Wasserstoff gleichmäßig einzuspritzen. Stromabwärts ist ein Proline Promass F Coriolis-Durchflussmesser verbaut, um den Gasfluss in der Hauptleitung zu überwachen. Ein für den Ex-Bereich zertifizierter Raman-Analysator Rxn5 bestimmt gleichzeitig inline die Zusammensetzung des Gasgemischs und dessen Energiegehalt. So lässt sich der Brennstoff-Mix beinahe in Echtzeit validieren und ein Überschwingen des Wasserstoffs verhindern, was zu Beschädigungen am Verbrennungssystem führen könnte. Mittlerweile ist die ehemals dem Einsatz im Labor vorbehaltene Raman-Technologie als robuste Inline-Prozesslösung verfügbar und bewährt. Dabei wird der Analysator über Lichtwellenleiter direkt mit bis zu vier Sonden im Gasstrom verbunden. Im Fall von Longe Ride Energy wurde der Rxn5 mit einer Raman Rxn-30-Sonde kombiniert. Sie benötigt nur 15s, um eine genaue Messung in der Hautptgasleitung durchzuführen. Gängige Gaschromatografen verarbeiten die Signale deutlich langsamer. Sie benötigen mehrere Minuten für eine Analyse. „Die Messung der Zusammensetzung nahezu in Echtzeit ermöglicht auch die Berechnung des Kohlenwasserstoff-Taupunkts. Dieser ist entscheidend für die Vermeidung von Kondensat, das zu einer Verkokung des Brenners führen kann. Zudem besteht bei Wasserstoffgemischen eine höhere Wahrscheinlichkeit für einen Flammenrückschlag, wenn die Verbrennungsbedingungen nicht an die Eigenschaften des Mischbrennstoffs angepasst werden“, sagt Marcon. In der Zwischenzeit konnte Long Ridge Energy dem Erdgas schon mehrmals erfolgreich bis zu fünf Prozent Wasserstoff beimischen. Er wurde von einem nahen gelegenen Chemieunternehmen bereitgestellt. Auch die weitere Erhöhung des Wasserstoffanteils ist mit dem entwickelten Einspritzsystem möglich: Die Kapazität der Wasserstoff-Einspritzleitung vor Ort kann zukünftig mit dem Proline Promass X Coriolis-Durchflussmesser für maximale Durchflussraten sowie geringfügigen Änderungen an der Verrohrung problemlos erweitert werden.

Installation bietet wertvolle Erkenntnisse

Endress+Hauser selbst hat die Erkenntnisse dieser Installation in die Entwicklung eines Skids einfließen lassen. Es kombiniert Coriolis-Durchflussmessungen sowie Raman-Spektrometrie zu einer Lösung für das Mischen von Wasserstoff in Brennstoffsystemen und Pipelines. Das Skid ermöglicht, den Einspritz-Prozess komplett zu automatisieren und die Zusammensetzung des Brennstoffgemischs nach der Einspeisung auch über lange Strecken zu überwachen. „Die Erfahrung von Long Ridge Energy hat gezeigt, dass die wichtigsten Änderungen, die erforderlich sind, um die Verwendung von Wasserstoffgemischen zu ermöglichen, außerhalb der Turbine selbst vorgenommen werden müssen“, bilanziert Marcon. „Das ist ermutigend, denn das bedeutet, dass viele andere Gasturbinen mit nur geringfügigen Anpassungen und Nachrüstungen mit Wasserstoffgemischen betrieben werden können. Auf diese Weise kann die Kraftwerksindustrie rund um die Welt zur Dekarbonisierung der Stromerzeugung beitragen.“

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