Globale Bemühungen, null Kohlenstoffemissionen aus der Industrie zu erreichen, gewinnen an Fahrt, da eine Vielzahl von Umwelt-, wirtschaftlichen und geopolitischen Faktoren die Entwicklung nachhaltiger Energiequellen wie grüner Wasserstoff vorantreiben. Die neueste Generation intelligenter Instrumente und Analysatoren trägt dazu bei, die Effizienz, Sicherheit und Machbarkeit der grünen Wasserstoffproduktion zu verbessern. Sensoren, Analysatoren und Transmitter helfen bei der Messung von Leitfähigkeit, Temperatur, Füllstand, Druck und Durchfluss.
Mit den kombinierten Bedenken hinsichtlich disruptiver Klimaveränderungen und der Energiesicherheit konzentrieren sich Länder auf der ganzen Welt darauf, die Produktion von Treibhausgasen wie Kohlendioxid (CO2) und Methan zu reduzieren und Wege zu finden, von fossilen Brennstoffen auf nachhaltigere Alternativen umzusteigen. Der Gipfel der COP26 im letzten Jahr in Glasgow ermutigte Länder, ehrgeizige Emissionsminderungsziele für 2030 festzulegen, mit dem Ziel, bis zur Mitte des Jahrhunderts netto null Kohlenstoffemissionen zu erreichen. Prognosen zufolge wird die globale Wasserstoffwirtschaft bis 2050 2,5 Billionen US-Dollar wert sein und 30 Millionen Arbeitsplätze schaffen. Um die Effizienz und Sicherheit zu maximieren und die für Entscheidungen erforderlichen Daten bereitzustellen,
Die Erreichung dieser Ziele erfordert den Übergang von konventionellen Energiequellen wie Kohle, Öl und Gas zu erneuerbaren Quellen, die minimale Emissionen produzieren und nicht von einer Handvoll Ländern für die Versorgung abhängig sind.
Wasserstoff als nachhaltiger Brennstoff, Ausgangsstoff für Düngemittel, Kunststoffe
Die Bedeutung der Energieversorgung für alles, von Freizeitaktivitäten bis hin zur industriellen Nutzung, erfordert Quellen, die konsistent, zuverlässig und skalierbar sind. Obwohl erneuerbare Quellen wie Wind und Sonne dazu beitragen können, Emissionen zu reduzieren, sind sie intermittierend, und es ist schwierig, den produzierten Strom zu speichern.
Trotz ihrer Umweltauswirkungen werden fossile Brennstoffe weiterhin als Hauptenergiequelle genutzt. Dies liegt daran, dass sie Vorteile wie eine höhere Energiedichte bieten, zur Deckung des saisonalen Bedarfs gespeichert werden können und ihr Potenzial, als chemischer Ausgangsstoff für industrielle Prozesse, die auf Kohlenstoff angewiesen sind, verwendet zu werden.
Die zunehmende Machbarkeit von Wasserstoff als Energiequelle verändert dies. Wasserstoff bietet viele Vorteile von erneuerbaren Energien und fossilen Brennstoffen - er kann mit geringen oder keinen Emissionen produziert werden, kann gespeichert und transportiert werden, verbrennt sauber und ist reaktiv für den Einsatz in weiteren chemischen Prozessen oder Produktionen.
Als solches gilt Wasserstoff als einer der Schlüsselfaktoren zur Dekarbonisierung des Energieverbrauchs. Er kann als Treibstoff für Transportmittel und Elektrizitätsspitzenlastkraftwerke verwendet werden, während das Verbrennen von Wasserstoff auch Wärme für viele Arten von Industrien sowie Wohn- und Geschäftsgebäuden liefern kann. Wasserstoff kann als Ausgangsstoff für Chemikalien wie Düngemittel, Kraftstoffraffinerie und Kunststoffe dienen.
Wasserstoffproduktion nach Farbklassifikationen, Zukunft der Wasserstoffwirtschaft
Die Produktion von Wasserstoff ist gut verstanden, und es können verschiedene Verfahren verwendet werden. Diese variieren je nach chemischer Herkunft des Wasserstoffs und der Erneuerbarkeit ihrer Stromquelle.
Die Wasserstoffproduktion wird im Allgemeinen als grün, grau, blau, braun oder weiß klassifiziert, je nach verwendetem Verfahren. Grüner Wasserstoff, die umweltfreundlichste Art, wird durch Elektrolyse unter Verwendung von erneuerbaren Energien oder Kernenergie hergestellt.
Wenn Wasserstoff einen signifikanten Beitrag zur Minderung des Klimawandels leisten soll, muss seine Produktion auf der Elektrolyse ohne Kohlenstoff basieren, die von erneuerbaren Energiequellen gespeist wird. Die Internationale Energieagentur (IEA) schätzt, dass bei Erreichung von netto null Emissionen bis 2050 die Gesamtnachfrage nach Wasserstoff aus der Industrie bis 2030 um 44% gestiegen sein wird, wobei Niedrigkohlenstoffwasserstoff 21 Millionen Tonnen ausmachen wird, so ein Bericht der IEA vom September 2022 über die Verfolgung von Wasserstoff. Es gibt Fortschritte bei der Steigerung der Wasserstoffproduktion, mit fast 70 MW Elektrolysekapazität, die 2020 installiert wurde und damit den bisherigen Rekord des Vorjahres verdoppelte, so die IEA.
3 Methoden zur Optimierung der Leistung von Elektrolyseuren mit Steuerungen, Instrumentierung
Als mehrstufiger Prozess erfordert die Produktion von grünem Wasserstoff genaue Messungen, um einen sicheren und effizienten Betrieb zu gewährleisten. Die ISO22734:2019 (Wasserstoffgeneratoren mit Wasserelektrolyse - Industrielle, kommerzielle und private Anwendungen) legt die Hauptparameter fest, die während der Wasserstoffproduktionsprozesse gemessen werden müssen, um die Kontrolle aufrechtzuerhalten und potenzielle Probleme zu vermeiden, die die Effizienz oder Sicherheit beeinträchtigen könnten.
Um grünen Wasserstoff herzustellen, gibt es heute drei Hauptelektrolysemethoden im Einsatz.
Alkalische Elektrolyse (AEC) ist eine ausgereifte, kommerzielle Technologie. Um die Leitfähigkeit des Elektrolyten zu maximieren, der zur Wasserstoffproduktion verwendet wird, verwenden AEC-Elektrolyseure eine alkalische Lösung von 25-30 Gew.-% Kaliumhydroxid (KOH), bekannt als Lauge. Die stark alkalische Natur des Elektrolyten bedeutet, dass jedes Instrument, das damit in Kontakt kommt, korrosionsbeständig sein muss. Mit Merkmalen wie einem PVDF-Gehäuse und Hastelloy C-Elektroden ist ein industrieller Leitfähigkeitssensor ideal für aggressive Anwendungen wie die Messung von hochkonzentriertem KOH geeignet.
Der PEM (Protonenaustauschmembran)-Elektrolyseur verwendet reines Wasser als Elektrolytlösung, um die Notwendigkeit der Rückgewinnung und Wiederverwendung der für alkalische Elektrolyseure benötigten Kaliumhydroxid-Elektrolytlösung zu vermeiden. Die Reinheit des Wassers ist entscheidend, wobei Umkehrosmose und Ionenaustauschharze zur Deionisierung des Wassers auf eine Leitfähigkeit von weniger als 0,1 mS/m verwendet werden. Für den Einsatz in Anwendungen mit ultrareinem Wasser kann eine 2-Elektroden-Leitfähigkeitszelle sicherstellen, dass die Wasserleitfähigkeit auf diesem Niveau gehalten wird, mit praktisch keinem Wartungsbedarf.
Festoxid-Elektrolysezellen (SOEs) verwenden Keramik als Elektrolyt und haben geringe Materialkosten. Bei hohen Temperaturen und einem hohen Grad an elektrischer Effizienz betrieben, verwenden sie Dampf für den Elektrolyseprozess und benötigen daher eine Wärmequelle. Durch die Verwendung von Dampf anstelle von Frischwasser zur Versorgung des Elektrolyseurs haben SOE-Elektrolyseure andere Instrumentierungsanforderungen als AEC- und PEM-Elektrolyseure und erfordern eine genaue Messung von Durchfluss, Druck und Temperatur mit intelligenter Instrumentierung.
Die Steuerung von Wasserstoffelektrolyse-Reaktionen erfordert genaue Gasanalysatoren
Die Prozesssteuerung eines Wasserstoffelektrolyseprozesses erfüllt drei Hauptfunktionen - sicheren Betrieb, effiziente Umwandlung von Strom in Wasserstoff und Kontrolle der Gasreinheit.
Eine Herausforderung im Elektrolyseprozess ist das Potenzial für geringe Konzentrationen von Sauerstoff im Wasserstoffstrom und Wasserstoff im Sauerstrom. Die Elektrolysezellenanordnung kann Gas von einer Seite der Elektrolysezelle auf die andere Seite leiten. ISO22734 definiert dies als Fehlerzustand.
Um dies zu vermeiden, benötigen Wasserstoffelektrolyseure empfindliche Gasanalysatoren, die Spuren von Wasserstoff im Sauerstrom und umgekehrt bis zu sehr niedrigen Pegeln messen können.
Roher Wasserstoffgas enthält auch Elektrolytdämpfe aus der Elektrolysezelle. Ein Abscheidephasentrenner ermöglicht die Gas- und Flüssigtrennung nach der Elektrolyse. Die Überwachung des Flüssigkeitsstands im Abscheidephasentrenner ist entscheidend, da ein sehr niedriger Pegel den Elektrolyseur abschalten und eine Stickstoffgas-Spülung auslösen würde.
Füllstandsmessung, Temperaturregelung für Wasserstoffmessungen
Magnetische Füllstandsinstrumente, einschließlich magnetischer Schalter und Sensoren, können verwendet werden, um niedrige und hohe Füllstände im Phasentrenner zu messen. Durch die Isolierung des Geräts vom Prozessmedium bietet die magnetische Füllstandsmessung eine ideale berührungslose Lösung zur Messung von Füllständen im Phasentrenner und eliminiert gleichzeitig die Notwendigkeit teurer Dichtungen, Membranen und Prozessanschlüsse, die üblicherweise mit Punkt-Füllstandsschaltern verbunden sind. Die Schaltpunkte können ohne Änderungen an der Prozessrohrleitung eingestellt werden, was zu Füllstandsschaltern führt, die schnell eingesetzt, leicht eingestellt und einfach gewartet werden können.
Die Temperaturregelung ist ebenfalls entscheidend. Eine variable Stromversorgung aus erneuerbaren Quellen kann dazu führen, dass der Elektrolyseur die Produktion erhöht, mehr Strom zieht und die Temperatur erhöht. Durch die kontinuierliche Messung der Stapeltemperatur kann eine effektive Kühlsteuerung gewährleistet werden, um die Werte innerhalb sicherer Grenzen zu halten.
Die Kombination eines Platin-Widerstandsthermometers mit einem geeigneten Transmitter liefert die benötigten Messungen und eine Lösung zur Auslösung von Präventivmaßnahmen im Falle eines Alarms. Wenn Funktionen wie kontinuierliche Sensorüberwachung und Selbstüberwachung ebenfalls enthalten sind, besteht die zusätzliche Möglichkeit, zusätzliche Informationen über die Versorgungsspannung und Probleme wie Drahtbrüche oder Korrosion zu sammeln.
Die gleichen Technologien können auch zur Überwachung und Steuerung von Temperaturen in der Deoxo-Stufe eingesetzt werden, wo Spuren von Sauerstoff im Wasserstoff in einer exothermen katalytischen Reaktion zu Wasser umgewandelt werden, um das endgültige Wasserstoffprodukt zu erzeugen. Es ist wichtig, die Temperatur zu überwachen, um sicherzustellen, dass die Reaktion unter Kontrolle bleibt und die Bedingungen innerhalb sicherer Grenzen bleiben.
Druckmessungen, Pumpen von flüssiger Wasserzufuhr
Einige Arten von Elektrolyseuren sind darauf ausgelegt, unter erhöhtem Druck zu arbeiten. Die genaue Messung des Druckniveaus ist besonders wichtig, wenn das Gas unter hohem Druck verwendet werden soll, da das Pumpen des flüssigen Wasserzufuhr zum Elektrolyseur auf einen erhöhten Druck wie 30 bar weniger kostspielig und viel weniger energieintensiv ist als das Komprimieren des Wasserstoffs von atmosphärischem Druck auf 30 bar nach dem Elektrolyseur. Die Installation eines digitalen Drucktransmitters im Wasserkreislauf zur kontinuierlichen Überwachung des Drucks kann die Pumpenleistung optimieren.
Eine genaue und zuverlässige Druckmessung ist wichtig, um die Prozesssicherheit zu gewährleisten, indem eine Überdruckung des Elektrolyseurs verhindert wird und sichergestellt wird, dass die durch den Elektrolyseur erzeugten Wasserstoff- und Sauerstoffgase ohne Behinderung abfließen können.
Drucktransmitter messen den Druck von Sauerstoff- und Wasserstoffgasen. Die Zertifizierung durch TUV NORD für den Einsatz in Prozesssicherheitssteuerungssystemen gemäß den IEC61508-Standards zur funktionalen Sicherheit hilft, elektrolytische Druckbehälter zu schützen.
Ein weiteres Problem, das Drucktransmitter in Wasserstoffanwendungen beeinträchtigen kann, ist das Problem der Wasserstoffpermeation. Verursacht durch Wasserstoffmoleküle, die durch die Membran des Drucktransmitters dringen und in die Füllflüssigkeit des Drucktransmitters diffundieren, kann Wasserstoffpermeation die Leistung des Transmitters beeinträchtigen, bis ein Ausfall eintritt. Die Verwendung einer titanbasierten binären Nanobeschichtung bietet den höchsten Widerstand gegen Wasserstoffionenpermeation und ermöglicht es der Membran des Drucktransmitters, auf sich ändernde Druckbedingungen zu reagieren.
Intelligente Messung verbessert Automatisierung und Kontrolleffizienz
Die heutigen intelligenten digitalen Messtechnologien bieten eine größere Genauigkeit, Reichweite und Tiefe der Informationen, die zur Bewertung der Prozessleistung und des Status der Messgeräte verwendet werden können. Funktionen wie die Fernverbindung tragen dazu bei, Diagnoseinformationen besser nutzbar zu machen, sodass Ingenieure Maßnahmen wie Fehlerverfolgung oder Änderungen an der Konfiguration eines Instruments durchführen können, ohne anwesend sein zu müssen. Eine größere Vorhersagbarkeit erleichtert die proaktive Wartung, vermeidet unnötige Ausfallzeiten und minimiert das Risiko von potenziellen Schäden an wichtigen Prozessanlagen oder beeinträchtigter Wasserstoffqualität.
Digitale Instrumente bieten eine verbesserte Einfachheit, sodass es für Bediener auf jeder Erfahrungsebene einfacher ist, auf wichtige betriebs- und wartungsbezogene Daten zuzugreifen oder diese weiterzuleiten, indem sie vertraute Technologien wie QR-Codes verwenden.
Automatisierung kann dazu beitragen, die Wasserstoffwirtschaft zu entwickeln
Die Entwicklung von Energiequellen wie grünem Wasserstoff soll eine immer wichtigere Rolle bei der Erreichung der Netto-Null-Kohlenstoffziele spielen. Prognosen zufolge wird die globale Wasserstoffwirtschaft bis 2050 voraussichtlich einen Wert von 2,5 Billionen US-Dollar haben und 30 Millionen Arbeitsplätze schaffen. Smarte Instrumente werden höchstwahrscheinlich eine wichtige Rolle bei diesem Wachstum spielen, um die Effizienz und Sicherheit zu maximieren und die für Entscheidungen benötigten Daten bereitzustellen.
