Upaya global untuk mencapai nol emisi karbon dari industri semakin meningkat karena berbagai faktor lingkungan, ekonomi, dan geopolitik mendorong pengembangan sumber energi berkelanjutan seperti hidrogen hijau. Generasi terbaru instrumen pintar dan analisis membantu meningkatkan efisiensi, keamanan, dan keberlanjutan produksi hidrogen hijau. Sensor, analisis, dan pemancar membantu dalam pengukuran konduktivitas, suhu, level, tekanan, dan aliran.
Dengan kekhawatiran bersama tentang perubahan iklim yang mengganggu dan keamanan energi, negara-negara di seluruh dunia fokus pada mengurangi produksi gas rumah kaca seperti karbon dioksida (CO2) dan metana serta menemukan cara untuk beralih dari bahan bakar fosil ke alternatif yang lebih berkelanjutan. KTT COP26 tahun lalu di Glasgow mendorong negara-negara untuk menyusun target pengurangan emisi yang ambisius untuk tahun 2030 dengan tujuan mencapai nol emisi karbon netto pada pertengahan abad ini. Proyeksi memperkirakan ekonomi hidrogen global akan bernilai $2,5 triliun dan menciptakan 30 juta lapangan kerja pada tahun 2050. Sebagai cara untuk memaksimalkan efisiensi dan keamanan serta menyediakan data yang diperlukan untuk menginformasikan pengambilan keputusan,
Mencapai target-target ini akan berarti beralih dari sumber energi konvensional, seperti batu bara, minyak, dan gas, ke sumber-sumber terbarukan yang menghasilkan emisi minimal dan tidak bergantung pada beberapa negara untuk pasokan.
Hidrogen untuk bahan bakar berkelanjutan, bahan baku untuk pupuk, plastik
Kritikalitas pasokan energi untuk segala hal mulai dari hiburan hingga penggunaan industri memerlukan sumber yang konsisten, handal, dan dapat diskalakan. Meskipun sumber terbarukan, seperti angin dan surya, dapat membantu mengurangi emisi, mereka bersifat intermittent, dan sulit untuk menyimpan listrik yang dihasilkan.
Namun, meskipun dampak lingkungan mereka, bahan bakar fosil terus digunakan sebagai tulang punggung pasokan energi. Hal ini karena mereka menawarkan keuntungan seperti kerapatan energi yang lebih tinggi, dapat disimpan untuk memenuhi permintaan musiman, dan potensi untuk digunakan sebagai bahan baku kimia untuk proses industri yang bergantung pada karbon.
Keberlanjutan hidrogen sebagai sumber energi sedang mengubah hal ini. Hidrogen menawarkan banyak keuntungan dari energi terbarukan dan bahan bakar fosil - dapat diproduksi dengan emisi rendah atau nol, dapat disimpan dan diangkut, bersih saat terbakar, dan reaktif untuk digunakan dalam proses atau produksi kimia lebih lanjut.
Oleh karena itu, hidrogen dianggap sebagai salah satu bahan bakar kunci untuk membantu mendekarbonisasi penggunaan energi. Hidrogen dapat digunakan sebagai bahan bakar untuk transportasi dan pembangkit listrik puncak, sementara pembakaran hidrogen juga dapat menyediakan panas untuk berbagai jenis industri dan bangunan residensial dan komersial. Hidrogen dapat berperan sebagai bahan baku untuk produk kimia, seperti pupuk, pengolahan bahan bakar, dan plastik.
Produksi hidrogen berdasarkan klasifikasi warna, masa depan ekonomi hidrogen
Produksi hidrogen sudah dipahami dengan baik, dan sejumlah proses dapat digunakan. Ini bervariasi dalam asal kimia hidrogen dan keberlanjutan sumber listrik mereka.
Produksi hidrogen umumnya diklasifikasikan sebagai hijau, abu-abu, biru, cokelat, atau putih tergantung pada metode yang digunakan. Hidrogen hijau, tipe paling ramah lingkungan, diproduksi melalui elektrolisis menggunakan energi terbarukan atau nuklir.
Jika hidrogen ingin memberikan kontribusi signifikan dalam mitigasi perubahan iklim, produksinya harus didasarkan pada elektrolisis nol karbon yang didukung oleh sumber energi terbarukan. Badan Energi Internasional (IEA) memperkirakan jika nol emisi tercapai pada tahun 2050, total permintaan hidrogen dari industri akan meningkat sebesar 44% pada tahun 2030, dengan hidrogen rendah karbon menyumbang 21 juta ton, menurut laporan pelacakan IEA September 2022 tentang hidrogen. Beberapa kemajuan sedang dilakukan dalam meningkatkan produksi hidrogen, dengan hampir 70 MW kapasitas elektrolisis terpasang pada tahun 2020, melipatgandakan rekor tahun sebelumnya, kata IEA.
3 metode untuk mengoptimalkan kinerja elektroliser dengan kontrol, instrumentasi
Sebagai proses multi-tahap, produksi hidrogen hijau memerlukan pengukuran yang akurat untuk memastikan operasi yang aman dan efisien. ISO22734:2019 (Generator hidrogen menggunakan elektrolisis air - Aplikasi industri, komersial, dan residensial) menetapkan parameter utama yang perlu diukur selama proses produksi hidrogen untuk membantu menjaga kontrol dan menghindari masalah potensial yang dapat memengaruhi efisiensi atau keamanan.
Untuk menghasilkan hidrogen hijau, ada tiga metode elektrolisis utama yang digunakan saat ini.
Elektrolisis Alkalin (AEC) adalah teknologi komersial yang matang. Untuk memaksimalkan konduktivitas elektrolit yang digunakan untuk menghasilkan hidrogen, elektroliser AEC menggunakan larutan alkali 25-30 wt% kalium hidroksida (KOH), yang dikenal sebagai larutan kaustik. Sifat yang sangat alkali dari elektrolit berarti bahwa setiap instrumen yang bersentuhan dengannya harus tahan korosi. Dengan fitur-fitur termasuk tubuh PVDF dan elektroda Hastelloy C, sensor konduktivitas industri sangat cocok untuk aplikasi agresif seperti pengukuran KOH konsentrasi tinggi.
Elektroliser PEM (Proton Exchange Membrane) menggunakan air murni sebagai larutan elektrolit, menghindari kebutuhan untuk mendaur ulang larutan elektrolit kalium hidroksida yang diperlukan dengan elektroliser alkalin. Kemurnian air adalah kunci, dengan osmosis balik dan resin pertukaran ion digunakan untuk mendemineralisasi air menjadi konduktivitas kurang dari 0,1 mS/m. Dirancang untuk digunakan dalam aplikasi air ultra-murni, sel konduktivitas 2-elektroda dapat memastikan konduktivitas air dipertahankan pada tingkat ini, dengan hampir tidak ada kebutuhan perawatan.
Sel Elektrolisis Oksida Padat (SOEs) menggunakan keramik sebagai elektrolit dan memiliki biaya material yang rendah. Beroperasi pada suhu tinggi dan dengan tingkat efisiensi listrik yang tinggi, mereka menggunakan uap untuk proses elektrolisis dan memerlukan sumber panas. Menggunakan uap daripada air tambahan untuk memasok elektroliser, elektroliser SOE memiliki persyaratan instrumen yang berbeda dari elektroliser AEC dan PEM, menuntut pengukuran aliran, tekanan, dan suhu dengan instrumen pintar yang akurat.
Mengendalikan reaksi elektrolisis hidrogen memerlukan analisis gas yang akurat
Kontrol proses dari proses elektrolisis hidrogen melakukan tiga fungsi utama - operasi aman, konversi daya yang efisien menjadi hidrogen, dan kontrol kemurnian gas.
Satu tantangan dalam proses elektrolisis adalah potensi untuk konsentrasi kecil oksigen untuk terakumulasi dalam aliran hidrogen dan hidrogen untuk terakumulasi dalam aliran oksigen. Perakitan tumpukan elektroliser dapat bocor gas dari satu sisi sel elektroliser ke sisi lainnya. ISO22734 mendefinisikan ini sebagai kondisi kesalahan.
Untuk menghindari hal ini, elektroliser hidrogen memerlukan analisis gas yang sensitif yang dapat mengukur jejak hidrogen dalam aliran oksigen dan sebaliknya hingga tingkat yang sangat rendah.
Gas hidrogen mentah juga mengandung uap elektrolit dari sel elektroliser. Sebuah pemisah fase knock-down memungkinkan pemisahan gas dan cair setelah elektroliser. Memantau level cairan dalam pemisah fase knock-down kritis karena level yang sangat rendah akan mematikan elektroliser dan memicu pengeluaran gas nitrogen.
Pengukuran level, kontrol suhu untuk pengukuran hidrogen
Instrumen level magnetik, termasuk sakelar magnetik dan sensor, dapat digunakan untuk mengukur level rendah dan tinggi dalam pemisah fase. Dengan mengisolasi perangkat dari medium proses, pengukuran level magnetik menawarkan solusi non-kontak yang ideal untuk mengukur level dalam pemisah fase, sambil juga menghilangkan kebutuhan akan segel mahal, diafragma, dan koneksi proses yang umumnya terkait dengan teknologi sakelar level titik. Titik set dapat disesuaikan tanpa perubahan pada pipa proses, menghasilkan sakelar level yang cepat diterapkan, mudah disesuaikan, dan mudah dipelihara.
Kontrol suhu juga sangat penting. Pasokan listrik variabel dari sumber energi terbarukan dapat menyebabkan elektroliser meningkatkan produksi, menarik lebih banyak arus dan meningkatkan suhu. Terus-menerus mengukur suhu tumpukan akan memungkinkan pengendalian pendinginan yang efektif untuk menjaga tingkatnya dalam batas yang aman.
Menggabungkan termometer resistansi platinum dengan pemancar yang sesuai akan memberikan pengukuran yang diperlukan dan solusi untuk memicu tindakan pencegahan dalam kasus alarm. Di mana fitur seperti pemantauan sensor kontinu dan pemantauan diri juga termasuk, ada kemungkinan tambahan untuk mengumpulkan informasi tambahan tentang tegangan pasokan dan masalah seperti putus kabel atau korosi.
Teknologi yang sama dapat diterapkan untuk memantau dan mengontrol suhu di tahap de-oksigenasi, di mana jejak oksigen dalam hidrogen dikonversi menjadi air dalam reaksi katalitik eksotermik untuk menciptakan produk hidrogen akhir. Penting untuk memantau suhu untuk memastikan reaksi tetap terkendali dan kondisi tetap berada dalam batas aman.
Pengukuran tekanan, pasokan air cair pompa
Beberapa jenis elektroliser dirancang untuk beroperasi pada tekanan tinggi. Kemampuan untuk mengukur tingkat tekanan dengan akurat sangat penting jika gas akan digunakan pada tekanan tinggi, karena memompa pasokan air cair ke elektroliser ke tekanan tinggi seperti 30 bar lebih murah dan jauh lebih sedikit energi dibandingkan dengan mengompresi gas hidrogen dari tekanan atmosfer ke 30 bar setelah elektroliser. Memasang pemancar tekanan digital dalam sirkuit air untuk terus memantau tekanan dapat membantu mengoptimalkan kinerja pompa.
Pengukuran tekanan yang akurat dan dapat diandalkan penting dalam menjaga keselamatan proses dengan mencegah terjadinya over-pressurization pada elektroliser dan memastikan gas hidrogen dan oksigen yang dihasilkan oleh elektroliser dapat mengalir tanpa hambatan.
Pemancar tekanan mengukur tekanan gas oksigen dan hidrogen. Sertifikasi oleh TUV NORD untuk digunakan dalam sistem kontrol keselamatan proses sesuai dengan standar IEC61508 tentang keselamatan fungsional membantu melindungi elektroliser bertekanan.
Masalah lain yang dapat memengaruhi pemancar tekanan dalam aplikasi hidrogen adalah masalah permeasi hidrogen. Disebabkan oleh molekul hidrogen yang melewati diafragma pemancar tekanan dan berdifusi ke dalam cairan pengisi pemancar tekanan, permeasi hidrogen dapat mengganggu kinerja pemancar hingga terjadi kegagalan. Pemberian lapisan nano biner berbasis titanium memberikan resistansi tertinggi terhadap permeasi ion hidrogen, sambil memungkinkan diafragma pemancar tekanan untuk merespons kondisi tekanan yang berubah.
Pengukuran pintar menambah otomatisasi, efisiensi kontrol
Teknologi pengukuran digital pintar saat ini menyediakan akurasi, rentang, dan kedalaman informasi yang lebih besar yang dapat digunakan untuk menilai kinerja proses dan status perangkat pengukuran. Fitur-fitur seperti konektivitas jarak jauh membantu membuat informasi diagnostik lebih dapat digunakan, memungkinkan insinyur untuk melakukan tindakan seperti pelacakan kesalahan atau perubahan konfigurasi instrumen tanpa harus hadir. Prediktivitas yang lebih besar memfasilitasi pemeliharaan proaktif, menghindari waktu henti yang tidak perlu dan meminimalkan risiko kerusakan potensial pada pabrik proses kunci atau kualitas hidrogen yang terganggu.
Instrumen digital menawarkan kesederhanaan yang ditingkatkan, memudahkan operator pada berbagai tingkat pengalaman untuk mengakses atau menyampaikan data operasional dan pemeliharaan kunci menggunakan teknologi yang akrab, seperti kode QR.
Otomatisasi dapat membantu mengembangkan ekonomi hidrogen
Pengembangan sumber energi seperti hidrogen hijau diprediksi akan memainkan peran yang semakin besar dalam mencapai tujuan nol karbon bersih, dengan proyeksi memperkirakan ekonomi hidrogen global akan bernilai $2,5 triliun dan menciptakan 30 juta lapangan kerja pada tahun 2050. Sebagai cara untuk memaksimalkan efisiensi dan keamanan serta menyediakan data yang diperlukan untuk menginformasikan pengambilan keputusan, instrumen pintar hampir pasti akan memainkan peran utama dalam pertumbuhan ini.
