Les efforts mondiaux pour atteindre zéro émission de carbone de l'industrie s'intensifient alors que divers facteurs environnementaux, économiques et géopolitiques poussent au développement de sources d'énergie durables telles que l'hydrogène vert. La dernière génération d'instruments et d'analyseurs intelligents contribue à améliorer l'efficacité, la sécurité et la viabilité de la production d'hydrogène vert. Les capteurs, analyseurs et émetteurs aident à mesurer la conductivité, la température, le niveau, la pression et le débit.
Cependant, malgré leur impact environnemental, les combustibles fossiles continuent d'être utilisés comme principale source d'énergie. Cela est dû à des avantages tels qu'une densité énergétique plus élevée, la possibilité d'être stockés pour répondre à la demande saisonnière et leur potentiel d'être utilisés comme matière première chimique pour des processus industriels dépendant du carbone.
Atteindre ces objectifs signifiera passer des sources d'énergie conventionnelles, telles que le charbon, le pétrole et le gaz, à des sources renouvelables produisant des émissions minimales et ne dépendant pas d'un petit nombre de pays pour l'approvisionnement.
L'hydrogène pour un carburant durable, une matière première pour les engrais, les plastiques
La criticité des approvisionnements énergétiques pour tout, du loisir à l'usage industriel, nécessite des sources qui soient cohérentes, fiables et évolutives. Bien que les sources renouvelables, telles que l'éolien et le solaire, puissent aider à réduire les émissions, elles sont intermittentes et il est difficile de stocker l'électricité produite.
Cependant, pour atteindre ces objectifs, il faudra passer des sources d'énergie conventionnelles, telles que le charbon, le pétrole et le gaz, à des sources renouvelables produisant des émissions minimales et ne dépendant pas d'un petit nombre de pays pour l'approvisionnement.
La viabilité croissante de l'hydrogène en tant que source d'énergie change la donne. L'hydrogène offre bon nombre des avantages des énergies renouvelables et des combustibles fossiles - il peut être produit avec peu ou pas d'émissions, peut être stocké et transporté, brûle proprement et est réactif pour une utilisation dans des processus ou une production chimique ultérieurs.
En tant que tel, il est considéré comme l'un des principaux carburants pour aider à décarboniser l'utilisation de l'énergie. Il peut être utilisé comme carburant pour les transports et les centrales électriques de pointe, tandis que la combustion de l'hydrogène peut également fournir de la chaleur pour de nombreux types d'industries, de bâtiments résidentiels et commerciaux. L'hydrogène peut servir de matière première pour la production de produits chimiques, tels que les engrais, le raffinage du carburant et les plastiques.
Production d'hydrogène par classifications de couleur, avenir de l'économie de l'hydrogène
La production d'hydrogène est bien comprise, et un certain nombre de processus peuvent être utilisés. Ceux-ci varient en fonction de l'origine chimique de l'hydrogène et de la renouvelabilité de leur source d'électricité.
La production d'hydrogène est généralement classée comme verte, grise, bleue, brune ou blanche en fonction de la méthode utilisée. L'hydrogène vert, le type le plus écologique, est produit par électrolyse à l'aide d'énergies renouvelables ou nucléaires.
Si l'hydrogène doit contribuer de manière significative à atténuer le changement climatique, sa production doit être basée sur l'électrolyse zéro carbone alimentée par des sources d'énergie renouvelables. L'Agence internationale de l'énergie (AIE) estime que si l'émission nette zéro est atteinte d'ici 2050, la demande totale d'hydrogène de l'industrie aura augmenté de 44 % d'ici 2030, avec de l'hydrogène à faible teneur en carbone représentant 21 millions de tonnes, selon un rapport de suivi de l'AIE de septembre 2022 sur l'hydrogène. Des progrès sont réalisés dans l'augmentation de la production d'hydrogène, avec près de 70 MW de capacité d'électrolyse installés en 2020, doublant le record de l'année précédente, a déclaré l'AIE.
3 méthodes pour optimiser les performances de l'électrolyseur avec des contrôles et une instrumentation
En tant que processus multi-étapes, la production d'hydrogène vert nécessite des mesures précises pour garantir un fonctionnement sûr et efficace. La norme ISO22734:2019 (Générateurs d'hydrogène utilisant l'électrolyse de l'eau - Applications industrielles, commerciales et résidentielles) stipule les principaux paramètres à mesurer lors des processus de production d'hydrogène pour aider à maintenir le contrôle et éviter les problèmes potentiels qui pourraient affecter l'efficacité ou la sécurité.
Pour produire de l'hydrogène vert, il existe trois méthodes principales d'électrolyse utilisées aujourd'hui.
L'électrolyse alcaline (AEC) est une technologie commerciale mature. Pour maximiser la conductivité de l'électrolyte utilisé pour produire de l'hydrogène, les électrolyseurs AEC utilisent une solution alcaline de 25 à 30 % en poids d'hydroxyde de potassium (KOH), appelée lessive. La nature fortement alcaline de l'électrolyte signifie que tout instrument qui entre en contact avec celui-ci doit être résistant à la corrosion. Avec des caractéristiques telles qu'un corps en PVDF et des électrodes en Hastelloy C, un capteur de conductivité industriel est idéalement adapté aux applications agressives telles que la mesure de la concentration élevée de KOH.
L'électrolyseur à membrane échangeuse de protons (PEM) utilise de l'eau pure comme solution électrolytique, évitant ainsi le besoin de récupérer et de recycler la solution électrolytique d'hydroxyde de potassium nécessaire avec les électrolyseurs alcalins. La pureté de l'eau est essentielle, avec l'osmose inverse et les résines échangeuses d'ions utilisées pour déioniser l'eau à une conductivité de moins de 0,1 mS/m. Conçu pour une utilisation dans des applications d'eau ultra-pure, une cellule de conductivité à 2 électrodes peut garantir que la conductivité de l'eau est maintenue à ce niveau, avec pratiquement aucun besoin d'entretien.
Les cellules d'électrolyse à oxyde solide (SOE) utilisent des céramiques comme électrolyte et ont des coûts matériels faibles. Fonctionnant à des températures élevées et avec un haut degré d'efficacité électrique, elles utilisent de la vapeur pour le processus d'électrolyse et nécessitent donc une source de chaleur. En utilisant de la vapeur plutôt que de l'eau de maquillage pour alimenter l'électrolyseur, les électrolyseurs SOE ont des exigences en instrumentation différentes des électrolyseurs AEC et PEM, exigeant une mesure précise du débit, de la pression et de la température avec une instrumentation intelligente.
Le contrôle des réactions d'électrolyse de l'hydrogène nécessite des analyseurs de gaz précis.
Le contrôle de processus d'un processus d'électrolyse de l'hydrogène remplit trois fonctions principales - opération sûre, conversion efficace de l'énergie en hydrogène et contrôle de la pureté du gaz.
Un défi dans le processus d'électrolyse est la possibilité pour de petites concentrations d'oxygène de s'accumuler dans le flux d'hydrogène et d'hydrogène de s'accumuler dans le flux d'oxygène. L'assemblage de la pile d'électrolyseur peut laisser échapper du gaz d'un côté de la cellule d'électrolyseur à l'autre. L'ISO22734 définit cela comme une condition de défaut.
Mesure de niveau, contrôle de la température pour les mesures d'hydrogène
Pour éviter cela, les électrolyseurs d'hydrogène nécessitent des analyseurs de gaz sensibles capables de mesurer des traces d'hydrogène dans le flux d'oxygène et vice versa à des niveaux très faibles.
Le gaz d'hydrogène brut contient également des vapeurs d'électrolyte provenant de la cellule d'électrolyseur. Un séparateur de phase de décantation permet la séparation du gaz et du liquide après l'électrolyseur. La surveillance du niveau de liquide dans le séparateur de phase de décantation est critique car un niveau très bas entraînerait l'arrêt de l'électrolyseur et déclencherait une purge de gaz d'azote.
Mesure de niveau, contrôle de température pour les mesures d'hydrogène
Les instruments de mesure de niveau magnétique, y compris les commutateurs et les capteurs magnétiques, peuvent être utilisés pour mesurer les niveaux bas et élevés dans le séparateur de phase. En isolant le dispositif du milieu de traitement, la mesure de niveau magnétique offre une solution idéale sans contact pour mesurer les niveaux dans le séparateur de phase, tout en éliminant le besoin de joints coûteux, de diaphragmes et de raccords de processus couramment associés à la technologie de commutation de niveau ponctuel. Les points de consigne peuvent être ajustés sans aucun changement dans la tuyauterie de processus, ce qui donne des commutateurs de niveau qui sont rapidement déployés, facilement ajustables et faciles à entretenir.
Le contrôle de la température est également crucial. L'approvisionnement en électricité variable à partir de sources renouvelables peut amener l'électrolyseur à augmenter sa production, à tirer plus de courant et à augmenter la température. Mesurer en continu la température de la pile permettra un contrôle efficace du refroidissement pour maintenir les niveaux dans des limites sûres.
Combiner un thermomètre à résistance en platine avec un émetteur approprié fournira les mesures nécessaires et une solution pour déclencher des mesures préventives en cas d'alarme. Lorsque des fonctionnalités telles que la surveillance continue du capteur et l'auto-surveillance sont également incluses, il est également possible de recueillir des informations supplémentaires sur la tension d'alimentation et des problèmes tels que les ruptures de fil ou la corrosion.
Les mêmes technologies peuvent être appliquées pour surveiller et contrôler les températures à l'étape de désoxydation, où les traces d'oxygène dans l'hydrogène sont converties en eau dans une réaction catalytique exothermique pour créer le produit d'hydrogène final. Il est essentiel de surveiller la température pour garantir que la réaction reste sous contrôle et que les conditions restent dans des limites sûres.
Mesures de pression, alimentation en eau liquide
Certains types d'électrolyseurs sont conçus pour fonctionner à une pression élevée. La capacité de mesurer avec précision les niveaux de pression est particulièrement importante si le gaz doit être utilisé à haute pression, car pomper l'alimentation en eau liquide vers l'électrolyseur à une pression élevée telle que 30 bars est moins coûteux et beaucoup moins énergivore que de comprimer le gaz d'hydrogène de la pression atmosphérique à 30 bars après l'électrolyseur. L'installation d'un transmetteur de pression numérique dans le circuit d'eau pour surveiller en continu la pression peut aider à optimiser les performances de pompage.
La mesure précise et fiable de la pression est importante pour maintenir la sécurité des processus en empêchant la surpression de l'électrolyseur et en garantissant que les gaz d'hydrogène et d'oxygène générés par l'électrolyseur peuvent s'écouler sans obstruction.
Les transmetteurs de pression mesurent la pression des gaz d'oxygène et d'hydrogène. La certification par TUV NORD pour une utilisation dans les systèmes de contrôle de sécurité des processus selon les normes de la série IEC61508 sur la sécurité fonctionnelle aide à protéger les électrolyseurs sous pression.
Un autre problème qui peut affecter les transmetteurs de pression dans les applications d'hydrogène est le problème de la perméation de l'hydrogène. Causée par des molécules d'hydrogène passant à travers le diaphragme du transmetteur de pression et se diffusant dans le fluide de remplissage du transmetteur de pression, la perméation de l'hydrogène peut altérer les performances du transmetteur jusqu'à ce que la défaillance se produise. L'application d'un revêtement nano binaire à base de titane offre la plus grande résistance contre la perméation des ions d'hydrogène, tout en permettant au diaphragme du transmetteur de pression de répondre aux conditions de pression changeantes.
La mesure intelligente ajoute de l'automatisation, améliore l'efficacité du contrôle
Les technologies de mesure numériques intelligentes d'aujourd'hui offrent une plus grande précision, une plus grande plage et une plus grande profondeur d'informations pouvant être utilisées pour évaluer les performances du processus et l'état des dispositifs de mesure. Des fonctionnalités telles que la connectivité à distance aident à rendre les informations de diagnostic plus utilisables, permettant aux ingénieurs d'effectuer des actions telles que le traçage des défauts ou des modifications de la configuration d'un instrument sans avoir à être présent. Une plus grande prédictivité facilite la maintenance proactive, évitant les temps d'arrêt inutiles et minimisant le risque de dommages potentiels à des installations de traitement clés ou à la qualité de l'hydrogène altérée.
Les instruments numériques offrent une simplicité accrue, facilitant l'accès ou la transmission de données opérationnelles et de maintenance clés aux opérateurs de tous niveaux d'expérience à l'aide de technologies familières, telles que les codes QR.
L'automatisation peut aider à développer l'économie de l'hydrogène
Le développement de sources d'énergie telles que l'hydrogène vert est prévu de jouer un rôle croissant dans la réalisation des objectifs de neutralité carbone, avec des projections estimant que l'économie mondiale de l'hydrogène vaudra 2,5 billions de dollars et créera 30 millions d'emplois d'ici 2050. Pour maximiser l'efficacité et la sécurité et fournir les données nécessaires pour éclairer la prise de décision, les instruments intelligents sont presque certainement appelés à jouer un rôle majeur dans cette croissance.
