Die Erzeugung und Verwendung von grünem Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen ist eine der Schlüsselmaßnahmen zur Reduktion der CO2-Emissionen im Energie- und Verkehrssektor. Aus Wind-, Wasser- oder Solarenergie erzeugter Strom lässt sich durch Elektrolyse in Wasserstoff umwandeln, der in Tanks gespeichert, transportiert und orts- sowie zeitunabhängig verwendet werden kann. Eingesetzt wird Wasserstoff in der CO2-neutralen Mobilität, in der Chemieindustrie, der Stahlproduktion oder in Kraftwerken, wo eine erneute Umwandlung in Strom stattfindet.
Vorteile von PC-based Control für die Wasserstoffindustrie:
- innovative Lösungen durch offene und flexible Steuerungstechnik
- lückenlose und sichere Kommunikation von Zone 0 bis in die Cloud
- umfangreiches Portfolio an Komponenten für den Explosionsschutz
- SPS, Motion Control, HMI, Safety und Messtechnik in einem System
- Erhöhung der Verfügbarkeit durch Kabel- und Steuerungsredundanz
Sie haben Fragen? Schauen Sie in unseren FAQ-Bereich oder wenden Sie sich an unsere Experten.
Durchgängige Automatisierungslösungen für die Wasserstoffindustrie
Steuerungslösungen für die gesamte Wertschöpfungskette
Als erfahrener Partner der Wind- und Solarindustrie agiert Beckhoff schon am Anfang der Wasserstoff-Wertschöpfungskette, der regenerativen Energieerzeugung. Mehr als 125.000 Windenergieanlagen wurden bereits mit unserer offenen PC-basierten Steuerungstechnik automatisiert. Außerdem wird ein Großteil der weltweit installierten Solarpanels mit Hilfe von Beckhoff Technologie produziert. Darüber hinaus verfügt Beckhoff über langjährige Erfahrung in der Prozesstechnik sowie in der Automatisierung von Applikationen mit Explosionsschutzanforderungen.
Auch bei der Verwendung von Wasserstoff, z. B. als Brennstoff für Fahrzeuge, in Brennstoffzellen oder Blockheizkraftwerken, ist Beckhoff Technik bereits in vielen Applikationen erfolgreich vertreten. Für das Erreichen der Klimaziele wird Wasserstoff zudem als nachhaltige Alternative zu fossilen Rohstoffen in weiteren industriellen Prozessen benötigt, beispielsweise bei der Methanisierung, der Ammoniaksynthese oder der Herstellung von E-Fuels. Auch hier kommt PC-based Control zum Einsatz und trägt dazu bei, dass mit der Verwendung von grünem Wasserstoff CO2-Emissionen reduziert werden können.
Effiziente Automatisierung optimiert Elektrolyseure
Bei der Elektrolyse wird Wasser mit Hilfe elektrischer Energie in die Elemente Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Um die steigende Nachfrage nach Wasserstoff aus erneuerbaren Energien abzudecken, sind innovative und wirtschaftliche Lösungen für den Elektrolyseprozess gefragt. Unsere Lösung für die durchgängige Steuerungs- und Überwachung trägt sowohl zu einer hohen Effizienz als auch zu einer hohen Sicherheit der Anlage bei.
PC-based Control für die Elektrolyse:
- leistungsstarke Embedded-PCs für die Schaltschrankinstallation
- Control Panels zur Bedienung und Überwachung bis in Zone 2
- EtherCAT-Klemmen zur Erfassung und Verarbeitung aller relevanten Signale
PC-based Control für den sicheren Wasserstoffspeicher und -transport
Gespeichert und transportiert wird Wasserstoff in flüssigem oder gasförmigem Zustand. In Verbindung mit Sauerstoff kann das leicht entzündliche Gas eine explosionsfähige Atmosphäre bilden. Dafür bietet Beckhoff ganzheitliche Lösungen für die sichere Automatisierung bis in Zone 0 und die Datenerfassung und -übertragung bis in die Cloud.
Sichere Steuerung und Überwachung:
- eigensichere Signalübertragung und funktionale Sicherheit bis Zone 0 durch ELX-Klemmen mit TwinSAFE SC
- Datenvorverarbeitung und -transfer in die Cloud per Edge Device
- Glasfaserkoppler für die Kommunikation über bis zu 20 km Entfernung
Flexible Automatisierungs- und IoT-Lösungen für Wasserstofftankstellen
Auch im Bereich der Mobilität spielt Wasserstoff eine zentrale Rolle. Vor allem in der Logistik hat er das Potential, der wichtigste Energieträger für den Antrieb von LKWs sowie in der Schiff- und Luftfahrt zu werden. Tanken mit Wasserstoff ist jedoch deutlich komplexer als mit fossilen Brennstoffen: Dabei wird Wasserstoff mit einem Druck von bis zu 1000 bar komprimiert. Im Rahmen der funktionalen Sicherheit muss der Druck während des Befüllens überwacht und, falls erforderlich, der Prozess sicher abgeschaltet werden. Außerdem müssen Bestimmungen des Explosionsschutzes eingehalten werden.
PC-based Control für Wasserstofftankstellen:
- individuelle Anlagenvisualisierung mit TwinCAT HMI
- Prozessdatenverarbeitung und -auswertung mit TwinCAT Analytics
- einfache Cloud-Anbindung mit TwinCAT
Unsere Technologien für Ihre Wasserstoff-Applikation
Das Steuerungssystem für die Wasserstoffindustrie
Mit einem durchgängigen Komponentenbaukasten und tiefem, branchenübergreifendem Know-how realisiert Beckhoff offene Automatisierungssysteme auf der Grundlage PC-basierter Steuerungstechnik. Dabei werden alle Steuerungsfunktionen wie SPS, Visualisierung, Cloud-Anbindung, Sicherheits- und Messtechnik auf einer durchgängigen Plattform integriert. Die systemintegrierte Lösung von Beckhoff bietet eine effiziente Alternative zu traditionellen Anbietern und eignet sich für den Einsatz in den Märkten der Prozessindustrie wie der Wasserstoffindustrie.
PC-based Control für die Wasserstoffindustrie:
- durchgängige Plattform zur Automatisierung aller Prozesse und Anlagen
- Integration aller Steuerungsfunktionen in einem System
- hohe Interoperabilität dank offener Schnittstellen in Hard- und Software
- Steuerungs- und Kabelredundanz für erhöhte Anlagenverfügbarkeit
- PC-basierte Steuerungstechnik ist weltweit und branchenübergreifend etabliert
Ideal geeignet für die Wasserstoffindustrie: der offene Feldbus EtherCAT
Als universell einsetzbarer und offener Highspeed-Feldbus eignet sich EtherCAT für alle Einsatzbereiche, von SPS und Antriebstechnik über Sensorik, Mess- und Sicherheitstechnik bis zu Explosionsschutz. Mit EtherCAT benötigen Sie nur eine einzige Kommunikationstechnologie für Ihre gesamte Anlage und profitieren zudem von der Sicherheit und optimalen Performance der durchgängigen EtherCAT-Architektur. Die EtherCAT-basierte Steuerung ermöglicht zudem die Integration von 3rd-Party-EtherCAT-Geräten und die Einbindung anderer Feldbussysteme.
Zukunftstechnologie EtherCAT für die Wasserstoffindustrie:
- große Auswahl EtherCAT-kompatibler Sensoren und Aktoren im Markt
- schnelle Fehlerbeseitigung durch Diagnosefunktionen
- keine Leistungseinbußen in ausgedehnten Anlagen
- einfache Inbetriebnahme durch Scannen der Teilnehmer
- schlanke Anlagenverkabelung durch Remote-I/O
TwinCAT: die Steuerungsplattform für die Wasserstoffindustrie
Mit der Automatisierungssoftware TwinCAT bietet Beckhoff eine zentrale Plattform zur Steuerung prozesstechnischer Maschinen und Anlagen. Neben der klassischen Prozessführung im SPS-Programm können auch in C++, MATLAB® und Simulink® geschriebene Algorithmen in Echtzeit ausgeführt werden. Die Unterstützung gängiger und branchentypischer Standards macht den Einsatz von PC-based Control in der Wasserstoffindustrie unkompliziert.
TwinCAT-Highlights für die Wasserstoffindustrie:
- steuerungsintegrierte Industrie-4.0- und IoT-Anwendungen
- umfassende Datenauswertung mit Analytics-Funktionen
- standardisierte Kommunikation über OPC UA
- Unterstützung gängiger Standards wie NAMUR, HART und FDT/DTM
- Ausführung von Modellen in MATLAB® und Simulink®
Unsere Produkt-Highlights für Ihre Wasserstoff-Applikation
Eigensichere Signalerfassung in IP20 und IP67
Die ELX-Klemmen sind hochkompakte Remote-I/O-Module mit integrierten Sicherheitsbarrieren für den direkten Anschluss eigensicherer Feldgeräte aus Zone 0/20 und 1/21. Das Ergebnis: Der Verzicht auf zwischengeschaltete, externe Barrieren führt zu einer deutlichen Reduktion des Platzbedarfs im Schaltschrank und den damit verbundenen Kostenvorteilen.
Die EtherCAT-Box-Module der EPX-Serie kombinieren Eigensicherheit mit Schutzart IP67 und einem erweiterten Temperaturbereich von -25…+60 °C. Die Module im robusten Gehäuse ermöglichen die zuverlässige Datenerfassung in Bereichen, in denen kein Schaltschrank installiert werden kann oder soll. Damit eignen sie sich zur Realisierung modularer und schaltschrankloser Anlagenkonzepte in explosionsgeschützten und rauen Umgebungen.
Hochkompakte I/O-Module mit integrierter Barriere:
- für die ganzheitliche Steuerung von der Zone 0 bis in die Cloud
- Kostenvorteile durch den Wegfall separater Sicherheitsbarrieren
- kompakte Bauform, große Signalvielfalt und gewohnt hohe Auflösung
- Zertifizierung gemäß ATEX, IECEx und NEC/CEC
Elegante Ex-Panels: die CPX-Serie im robusten Aluminiumdesign
Mit den Modellen der CPX-Panel-Serie ist die bewährte Multitouch-Technologie der Beckhoff Control Panels und Panel-PCs in besonders robuster Ausführung verfügbar und erfüllt die Anforderungen für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen der Zone 2/22. Die hohe Funktionalität und die hochwertige Verarbeitung sichern die Langlebigkeit der CPX-Panels auch unter rauen Umgebungsbedingungen. Das umfassende CPX-Portfolio umfasst eine große Auswahl an Formaten, Größen, Montageoptionen und Leistungsmerkmalen. Die lüfterlosen Panel-PCs bieten darüber hinaus eine zuverlässige Anlagensteuerung.
Multitouch-Panels für die Wasserstoffindustrie:
- kapazitive Touch-Technologie für optimierte Bedienung
- hochwertiges Design
- robust und langlebig
- flexible Montage
- bis zu 100 m Abstand zwischen Ex-Panel und Industrie-PC mit CP-Link 4
Messtechnik für Spannungsmessung in Brennstoffzellen
Die präzise Messung der Einzelzellspannungen ist ein zentraler Hebel für Effizienz und Lebensdauer von Elektrolyseuren. Während die Gesamtspannung am Stack vorgegeben wird, können einzelne Zellen im Betrieb unterschiedliche Spannungen aufweisen und über die Zeit driften. Diese Abweichungen verschieben den jeweiligen Arbeitspunkt – mit direkten Auswirkungen auf Wirkungsgrad. Eine kontinuierliche Überwachung der Zellspannungen schafft Transparenz.
Mit der EtherCAT-Klemme EL3008-0003 und EL3008-0005 steht eine kompakte Lösung zur Verfügung, die speziell für diese Anforderungen ausgelegt ist. Acht Spannungseingänge mit ±3 V beziehungsweise ±5 V, 16-Bit-Auflösung, 2 kSps und hoher Messgenauigkeit erfassen die relevanten Parameter schnell und präzise. Das kaskadierte Messprinzip reduziert den Verdrahtungsaufwand deutlich, während die hohe Isolation den Einsatz in Stacks mit Gesamtspannungen bis 1.500 V ermöglicht. Durch das modulare EtherCAT-Konzept lässt sich die Klemme flexibel vom Prüfstand bis zum durchgängigen Langzeitmonitoring in der Serienanlage integrieren.
Modulare Wasserstoffsysteme mit MTP
Mit modularer Automation lassen sich Wasserstoff-Applikationen mit geringem Aufwand flexibel realisieren und anpassen. Die Modularisierung wird durch das Module Type Package (MTP) standardisiert. Mit MTP werden einzelne Module anhand verschiedener Aspekte, wie deren Schnittstellen oder ausführbaren Dienste, beschrieben. Die Informationen über das Modul werden in einer MTP-Datei gespeichert, die in eine überlagerte Steuerung importiert wird. Dies ermöglicht die effiziente Inbetriebnahme und Verknüpfung Module verschiedener Hersteller. Die Integration des MTP-Konzepts in TwinCAT vereinfacht durch automatisch generierten Sourcecode und Bibliotheken für die SPS-Programmierung die richtlinienkonforme Automatisierung eines Anlagenmoduls.
Die Vorteile von TwinCAT MTP:
- automatische Generierung und Export des MTPs
- hoher Individualisierungsgrad zur optimalen Anpassung an bestehende Prozesse
- richtlinienkonforme IEC-61131-Funktionsbaustein-Bibliothek
- nahtlose Integration in TwinCAT Engineering
Wasserstoff-Automatisierung: durchgängig vom Sensor bis in die Cloud
FAQs zum Thema Wasserstoff
Aufgrund der hohen Flüchtigkeit und Explosionsgefahr von Wasserstoff ist Explosionsschutz in Planung und Betrieb von H2‑Anlagen zwingend erforderlich. Dieser lässt sich durch gezielte Automatisierungstechnik wirkungsvoll unterstützen: Steuer‑ und Regelhardware werden möglichst außerhalb von Ex‑Zonen platziert; Signale aus Gefahrenbereichen werden ausschließlich über ex‑zertifizierte oder intrinsisch sichere I/O‑Module bzw. Signaltrenner/Barrieren geführt. Dafür stehen im Beckhoff Portfolio die ELX- und EPX-Module mit eigensicheren Schnittstellen zur Verfügung.
Safety-Funktionen werden mit deterministischer SIL/PL‑fähiger Hardware, wie TwinSAFE, implementiert und über sicherheitsgerichtete Protokolle (z. B. Safety over EtherCAT) übertragen, sodass schnelle Interlocks, Notabschaltungen und kurze Reaktionszeiten gewährleistet sind. Hochverfügbare Sensorik wird direkt in die sicherheitsgerichtete Logik integriert und durch kontinuierliche Diagnose abgesichert, um Fehlalarme zu reduzieren und Zustandsänderungen zuverlässig zu erkennen.
Wasserstoffanwendungen stellen hohe Anforderungen an die Automatisierungstechnik, weshalb leistungsfähige und flexible Steuerungslösungen benötigt werden. PC‑basierte Steuerungen werden bevorzugt eingesetzt, da sie hohe Rechenleistung für komplexe Regelalgorithmen, Energiemanagement‑Strategien und HMI‑Funktionalität bereitstellen.
Offene Schnittstellen wie OPC UA und die Integration von MTP ermöglichen eine herstellerneutrale Integration von Skids und beschleunigen Plug‑and‑Produce‑Szenarien sowie die Skalierung von Anlagen. Dank Echtzeit‑Fähigkeit und deterministischen I/Os, können zeitkritische Steuerungs‑ und Sicherheitsfunktionen mit kurzen Reaktionszeiten realisiert werden. Integrierte Diagnose‑ und Redundanzmechanismen erhöhen die Verfügbarkeit, während die einfache Anbindung sicherheitsgerichteter Komponenten (z. B. SIL/PL‑fähige Lösungen) eine durchgängige Sicherheitsarchitektur unterstützt.
Insgesamt trägt die Kombination aus Leistung, Offenheit und deterministischem Verhalten dazu bei, Effizienz, Betriebssicherheit und Wartbarkeit von Wasserstoffanlagen nachhaltig zu verbessern.
Effizienz, Lebensdauer und Sicherheit eines Elektrolyseurs hängen direkt von der Qualität der im Prozess erfassten Messerwerte ab. Nur hochauflösende und synchrone Messwerte ermöglichen die Optimierung von Wirkungsgrad und Energieverbrauch, die frühzeitige Erkennung von Degradation, eine stabile Regelung und damit die sichere Betriebsführung des Elektrolysevorgangs. Beckhoff liefert dafür hochauflösende EtherCAT-basierte Messtechnikklemmen, die Zellspannungen, Ströme und Temperaturen deterministisch und in Echtzeit erfassen.
Ein durchgängiges Condition Monitoring erhöht die Verfügbarkeit und Sicherheit von Elektrolyseuren, Kompressoren und Speichersystemen. Dafür werden Messwerte wie Zell‑ bzw. Stackspannungen und -stromdichten, Temperaturen, Drücke und Durchflüsse sowie Leckage‑Signale als kritisch erachtet. Ergänzend können Vibrations‑ und Motorendaten sowie Netz‑ und Leistungskennwerte für die Anlagenzustandsbewertung erfasst und genutzt werden.
Die Erfassung dieser Parameter wird im Beckhoff System unkompliziert über EtherCAT‑Klemmen realisiert. Aus dem großen I/O-Portfolio können modular genau die Klemmen zusammengestellt werden, die für die Erfassung der zu überwachenden Messwerte benötigt werden. Die Daten werden in TwinCAT aufgenommen, analysiert und in Verbindung mit TwinCAT Condition Monitoring werden Abweichungen frühzeitig erkannt und ungeplante Stillstände reduziert.
Für die Fernüberwachung und prädiktive Wartung von Wasserstoffsystemen wird die Cloud‑Analyse als wichtiger Baustein eingesetzt. Dafür werden Prozessdaten typischerweise über ein Edge Device vorverarbeitet und gefiltert. Dafür kann z. B. ein Industrie-PC der Serie C60xx aus dem Beckhoff Portfolio genutzt werden. Anschließend erfolgt die Übertragung der Daten über standardisierte Schnittstellen wie OPC UA oder MQTT in die Cloud, wo Analytik‑ und Machine-Learning‑Modelle für Dashboards, Alarme sowie Predictive Maintenance eingesetzt werden. Entsprechende Schnittstellen stehen in TwinCAT bereit. Die Auswertung der Daten lässt sich mit geringem Aufwand z. B. über TwinCAT Analytics realisieren.
MTP (Module Type Package) bietet für den Aufbau und Betrieb modularer Wasserstoffanlagen – wie Elektrolyseure, PSA‑Einheiten, Kompressoren, Speicher oder Dispenser – entscheidende Vorteile. Durch die standardisierte Beschreibung der Modulschnittstellen wird ein herstellerneutraler Datenaustausch über OPC UA ermöglicht. Dies beschleunigt die Umsetzung von Plug‑and‑Produce‑Ansätzen, vereinfacht die HMI‑Generierung und erleichtert sowohl die Skalierung als auch den Austausch oder die Erweiterung einzelner Skids.
Typische Anwendungsszenarien reichen von flexibel regelbaren Elektrolyseparks über Wasserstofftankstellen bis hin zu Power‑to‑X‑Pilotanlagen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass MTP eine Orchestrierung auf Steuerungsebene ermöglicht, jedoch keine harte Echtzeit bereitstellt. Regelungs‑ und sicherheitsgerichtete (SIL)‑Funktionen verbleiben in der lokalen Modulsteuerung, und die Anforderungen der Norm IEC 62443 in Bezug auf IT‑Sicherheit sollten beachtet werden.
Beckhoff unterstützt die Umsetzung von MTP sowohl für einzelne Module als auch für die Integration auf der Process Orchestration Layer (POL)‑Ebene via TwinCAT MTP.
Für die Interoperabilität und standardisierte Datenverfügbarkeit in modularen Wasserstoffanlagen sind OPC UA‑Companion‑Specifications von zentraler Bedeutung. Aktuell stehen bewährte OPC UA‑Bausteine wie PA‑DIM, ADI, OPC UA for Machinery, VDMA‑Profile sowie Pub/Sub‑Mechanismen und AAS‑Mapping zur Verfügung, mit denen Elektrolyseure, Verdichter, Speicher und HRS heute bereits modelliert und interoperabel vernetzt werden können. Eine wasserstoffspezifische Companion‑Specification ist bisher noch nicht finalisiert; die OPC Foundation und der VDMA arbeiten an entsprechenden Erweiterungen. Für eine projektbezogene Empfehlung wird der konkrete Use Case benötigt, damit die passende Kombination vorhandener Modelle für das jeweilige System vorgeschlagen werden kann.
Weitere Informationen
Informationsmedien
Hier finden Sie unsere Broschüren, Videos und Webinare zur Prozessindustrie.
Digitalisierung für die Prozessindustrie
Zukunftsfähige Anlagenautomatisierung prozesstechnischer Anlagen realisieren mit Ethernet-APL, NOA und MTP.
Module Type Package (MTP)
TwinCAT MTP integriert das Module Type Package-Konzept in das Engineering und ermöglicht die effiziente Entwicklung modularer Anlagen.
Energiewirtschaft
Zukunftsfähige Lösungen für die Energiewirtschaft: von der Biogasanlage bis zur Smart City