Los esfuerzos globales para lograr emisiones de carbono cero en la industria están cobrando impulso a medida que una variedad de factores ambientales, económicos y geopolíticos impulsan el desarrollo de fuentes de energía sostenibles como el hidrógeno verde. La última generación de instrumentos y analizadores inteligentes está ayudando a mejorar la eficiencia, seguridad y viabilidad de la producción de hidrógeno verde. Los sensores, analizadores y transmisores ayudan a medir la conductividad, temperatura, nivel, presión y flujo.
Con las preocupaciones combinadas sobre el cambio climático disruptivo y la seguridad energética, los países de todo el mundo se centran en reducir la producción de gases de efecto invernadero como dióxido de carbono (CO2) y metano, y en encontrar formas de pasar de los combustibles fósiles a alternativas más sostenibles. La cumbre COP26 del año pasado en Glasgow alentó a los países a establecer objetivos ambiciosos de reducción de emisiones para 2030 con el objetivo de alcanzar emisiones netas de carbono cero para mediados de siglo. Las proyecciones estiman que la economía global del hidrógeno tendrá un valor de $2.5 billones y creará 30 millones de empleos para 2050. Como una forma de maximizar la eficiencia y la seguridad y proporcionar los datos necesarios para informar la toma de decisiones,
Lograr estos objetivos significará pasar de fuentes de energía convencionales, como el carbón, el petróleo y el gas, a fuentes renovables que producen emisiones mínimas y no dependen de un puñado de países para el suministro.
Hidrógeno para combustible sostenible, materia prima para fertilizantes, plásticos
La criticidad de los suministros de energía para todo, desde el ocio hasta el uso industrial, requiere fuentes que sean consistentes, confiables y escalables. Aunque las fuentes renovables, como la eólica y la solar, pueden ayudar a reducir las emisiones, son intermitentes y es difícil almacenar la electricidad producida.
Sin embargo, a pesar de su impacto ambiental, los combustibles fósiles han seguido utilizándose como la base de los suministros de energía. Esto se debe a que ofrecen ventajas como una mayor densidad energética, pueden almacenarse para satisfacer la demanda estacional y su potencial para ser utilizados como materia prima química para procesos industriales que dependen del carbono.
La creciente viabilidad del hidrógeno como fuente de energía está cambiando esto. El hidrógeno ofrece muchas de las ventajas de las energías renovables y los combustibles fósiles: se puede producir con bajas o nulas emisiones, se puede almacenar y transportar, es limpio al quemarse y es reactivo para su uso en procesos o producción química adicional.
Por lo tanto, se considera uno de los combustibles clave para ayudar a descarbonizar el uso de energía. Puede utilizarse como combustible para el transporte y las plantas de electricidad de pico, mientras que la quema de hidrógeno también puede proporcionar calor para muchos tipos de industrias y edificios residenciales y comerciales. El hidrógeno puede actuar como materia prima para productos químicos, como fertilizantes, refinación de combustibles y plásticos.
Producción de hidrógeno por clasificaciones de color, futuro de la economía del hidrógeno
La producción de hidrógeno está bien entendida y se pueden utilizar varios procesos. Estos varían en el origen químico del hidrógeno y la renovabilidad de su fuente de electricidad.
La producción de hidrógeno generalmente se clasifica como verde, gris, azul, marrón o blanco dependiendo del método utilizado. El hidrógeno verde, el tipo más ecológico, se produce mediante electrólisis utilizando energías renovables o nucleares.
Si el hidrógeno quiere contribuir significativamente a mitigar el cambio climático, su producción debe basarse en la electrólisis sin carbono alimentada por fuentes de energía renovable. La Agencia Internacional de Energía (AIE) estima que si se logra cero emisiones netas para 2050, la demanda total de hidrógeno de la industria habrá aumentado en un 44% para 2030, con el hidrógeno de bajo carbono representando 21 millones de toneladas, según un informe de seguimiento de la AIE de septiembre de 2022 sobre el hidrógeno. Se están realizando algunos avances en el aumento de la producción de hidrógeno, con casi 70 MW de capacidad de electrólisis instalada en 2020, duplicando el récord del año anterior, según la AIE.
3 métodos para optimizar el rendimiento del electrolizador con controles, instrumentación
Como proceso de múltiples etapas, la producción de hidrógeno verde requiere mediciones precisas para garantizar una operación segura y eficiente. La norma ISO22734:2019 (Generadores de hidrógeno que utilizan electrólisis de agua - Aplicaciones industriales, comerciales y residenciales) estipula los principales parámetros que deben medirse durante los procesos de producción de hidrógeno para ayudar a mantener el control y evitar posibles problemas que podrían afectar la eficiencia o la seguridad.
Para producir hidrógeno verde, hay tres métodos principales de electrólisis en uso hoy en día.
La electrólisis alcalina (AEC) es una tecnología comercial madura. Para maximizar la conductividad del electrolito utilizado para producir hidrógeno, los electrolizadores AEC utilizan una solución alcalina de 25-30% en peso de hidróxido de potasio (KOH), conocida como lejía. La naturaleza altamente alcalina del electrolito significa que cualquier instrumento que entre en contacto con él debe ser resistente a la corrosión. Con características que incluyen un cuerpo de PVDF y electrodos de Hastelloy C, un sensor de conductividad industrial es ideal para aplicaciones agresivas como la medición de alta concentración de KOH.
El electrolizador de membrana de intercambio de protones (PEM) utiliza agua pura como solución electrolítica, evitando la necesidad de recuperar y reciclar la solución electrolítica de hidróxido de potasio necesaria con los electrolizadores alcalinos. La pureza del agua es clave, con ósmosis inversa y resinas de intercambio iónico utilizadas para desionizar el agua a una conductividad de menos de 0.1 mS/m. Diseñada para su uso en aplicaciones de agua ultra pura, una celda de conductividad de 2 electrodos puede garantizar que la conductividad del agua se mantenga en este nivel, con prácticamente ninguna necesidad de mantenimiento.
Las celdas de electrólisis de óxido sólido (SOEs) utilizan cerámica como electrolito y tienen bajos costos de material. Operando a altas temperaturas y con un alto grado de eficiencia eléctrica, utilizan vapor para el proceso de electrólisis y por lo tanto requieren una fuente de calor. Al utilizar vapor en lugar de agua de reposición para suministrar al electrolizador, los electrolizadores SOE tienen diferentes requisitos de instrumentación en comparación con los electrolizadores AEC y PEM, exigiendo una medición precisa de flujo, presión y temperatura con instrumentación inteligente.
Controlar las reacciones de electrólisis de hidrógeno requiere analizadores de gas precisos
El control del proceso de electrólisis de hidrógeno realiza tres funciones principales: operación segura, conversión eficiente de energía a hidrógeno y control de pureza del gas.
Uno de los desafíos en el proceso de electrólisis es el potencial de acumulación de pequeñas concentraciones de oxígeno en la corriente de hidrógeno y de hidrógeno en la corriente de oxígeno. El ensamblaje de la pila del electrolizador puede tener fugas de gas de un lado de la celda del electrolizador al otro. ISO22734 define esto como una condición de falla.
Para evitar esto, los electrolizadores de hidrógeno requieren analizadores de gas sensibles que puedan medir trazas de hidrógeno en la corriente de oxígeno y viceversa a niveles muy bajos.
El gas de hidrógeno crudo también contiene vapores de electrolito de la celda del electrolizador. Un separador de fases de eliminación permite la separación de gas y líquido después del electrolizador. Monitorear el nivel de líquido en el separador de fases de eliminación es crítico, ya que un nivel muy bajo cerraría el electrolizador y activaría un purgado de gas nitrógeno.
Medición de nivel, control de temperatura para mediciones de hidrógeno
Los instrumentos de nivel magnético, incluidos interruptores y sensores magnéticos, se pueden utilizar para medir niveles bajos y altos en el separador de fases. Al aislar el dispositivo del medio de proceso, la medición de nivel magnético ofrece una solución no invasiva ideal para medir niveles en el separador de fases, al tiempo que elimina la necesidad de costosos sellos, diafragmas y conexiones de proceso comúnmente asociados con la tecnología de interruptores de nivel puntual. Los puntos de ajuste se pueden modificar sin realizar cambios en la tubería de proceso, lo que resulta en interruptores de nivel que se despliegan rápidamente, son fácilmente ajustables y fáciles de mantener.
Para producir hidrógeno verde, hay tres métodos principales de electrólisis en uso hoy en día. El control de temperatura también es crítico. El suministro variable de electricidad de fuentes renovables puede hacer que el electrolizador aumente la producción, consumiendo más corriente y elevando la temperatura. Medir continuamente la temperatura de la pila permitirá un control efectivo del enfriamiento para mantener los niveles dentro de límites seguros.
Combinar un termómetro de resistencia de platino con un transmisor adecuado proporcionará las mediciones necesarias y una solución para activar medidas preventivas en caso de una alarma. Cuando se incluyen características como monitoreo continuo del sensor y auto-monitoreo, también existe la posibilidad de recopilar información adicional sobre el voltaje de suministro y problemas como roturas de cables o corrosión.
Las mismas tecnologías se pueden aplicar para monitorear y controlar las temperaturas en la etapa de de-oxo, donde se convierten trazas de oxígeno en el hidrógeno en agua en una reacción catalítica exotérmica para crear el producto final de hidrógeno. Es esencial monitorear la temperatura para garantizar que la reacción permanezca bajo control y que las condiciones se mantengan dentro de límites seguros.
Mediciones de presión, suministro de agua líquida
Algunos tipos de electrolizadores están diseñados para operar a presión elevada. La capacidad de medir con precisión los niveles de presión es especialmente importante si el gas se va a utilizar a alta presión, ya que bombear el agua líquida de alimentación al electrolizador a una presión elevada, como 30 bares, es menos costoso y mucho menos energético que comprimir el gas de hidrógeno desde la presión atmosférica a 30 bares después del electrolizador. La instalación de un transmisor de presión digital en el circuito de agua para monitorear continuamente la presión puede ayudar a optimizar el rendimiento de bombeo.
La medición precisa y confiable de la presión es importante para mantener la seguridad del proceso al prevenir la sobre-presurización del electrolizador y garantizar que los gases de hidrógeno y oxígeno generados por el electrolizador puedan fluir sin obstrucciones.
La medición precisa y confiable de la presión es importante para mantener la seguridad del proceso al prevenir la sobre-presurización del electrolizador y garantizar que los gases de hidrógeno y oxígeno generados por el electrolizador puedan fluir sin obstrucciones.
Presión transmisores miden la presión de gases de oxígeno e hidrógeno. La certificación por TUV NORD para su uso en sistemas de control de seguridad de procesos según las normas de la serie IEC61508 sobre seguridad funcional ayuda a proteger electrolizadores presurizados.
Otro problema que puede afectar a los transmisores de presión en aplicaciones de hidrógeno es el problema de la permeación de hidrógeno. Causada por moléculas de hidrógeno que pasan a través del diafragma del transmisor de presión y se difunden en el fluido de llenado del transmisor de presión, la permeación de hidrógeno puede afectar el rendimiento del transmisor hasta que ocurra una falla. Aplicar un recubrimiento nano binario a base de titanio proporciona la resistencia más alta contra la permeación de iones de hidrógeno, al tiempo que permite que el diafragma del transmisor de presión responda a las condiciones de presión cambiantes.
La medición inteligente agrega automatización, eficiencia de control
Las tecnologías de medición digital inteligente de hoy en día proporcionan una mayor precisión, rango y profundidad de información que se puede utilizar para evaluar el rendimiento del proceso y el estado de los dispositivos de medición. Funciones como la conectividad remota ayudan a que la información de diagnóstico sea más utilizable, lo que permite a los ingenieros realizar acciones como el seguimiento de fallas o cambios en la configuración de un instrumento sin necesidad de estar presentes. Una mayor predictividad facilita el mantenimiento proactivo, evitando tiempos de inactividad innecesarios y minimizando el riesgo de posibles daños en la planta de procesos clave o en la calidad del hidrógeno.
Los instrumentos digitales ofrecen una mayor simplicidad, lo que facilita que los operadores de cualquier nivel de experiencia accedan o transmitan datos operativos y de mantenimiento clave utilizando tecnologías familiares, como códigos QR.
La automatización puede ayudar a desarrollar la economía del hidrógeno
El desarrollo de fuentes de energía como el hidrógeno verde se prevé que desempeñe un papel cada vez más importante en la consecución de objetivos de carbono neto cero, con proyecciones que estiman que la economía global del hidrógeno tendrá un valor de $2.5 billones y creará 30 millones de empleos para 2050. Como una forma de maximizar la eficiencia y la seguridad y proporcionar los datos necesarios para informar la toma de decisiones, los instrumentos inteligentes casi con seguridad jugarán un papel importante en este crecimiento.
