Gli sforzi globali per raggiungere emissioni zero di carbonio dall'industria stanno accelerando poiché una varietà di fattori ambientali, economici e geopolitici stanno guidando lo sviluppo di fonti di energia sostenibili come l'idrogeno verde. L'ultima generazione di strumenti e analizzatori intelligenti sta contribuendo ad aumentare l'efficienza, la sicurezza e la sostenibilità della produzione di idrogeno verde. Sensori, analizzatori e trasmettitori aiutano a misurare la conducibilità, la temperatura, il livello, la pressione e il flusso.
Con le preoccupazioni combinate del cambiamento climatico e della sicurezza energetica, i paesi di tutto il mondo si stanno concentrando sulla riduzione della produzione di gas serra come anidride carbonica (CO2) e metano e sulla ricerca di modi per passare da combustibili fossili a alternative più sostenibili. Il vertice COP26 dell'anno scorso a Glasgow ha incoraggiato i paesi a elaborare obiettivi ambiziosi di riduzione delle emissioni per il 2030 con l'obiettivo di raggiungere emissioni nette zero di carbonio entro la metà del secolo. Le proiezioni stimano che l'economia globale dell'idrogeno varrà 2,5 trilioni di dollari e creerà 30 milioni di posti di lavoro entro il 2050. Come modo per massimizzare l'efficienza e la sicurezza e fornire i dati necessari per informare le decisioni,
Raggiungere questi obiettivi significherà passare da fonti energetiche convenzionali, come carbone, petrolio e gas, a fonti rinnovabili che producono emissioni minime e non dipendono da un pugno di paesi per l'approvvigionamento.
Idrogeno per carburante sostenibile, materia prima per fertilizzanti, plastica
La criticità delle forniture energetiche per tutto, dal tempo libero all'uso industriale, richiede fonti che siano costanti, affidabili e scalabili. Anche se le fonti rinnovabili, come vento e solare, possono contribuire a ridurre le emissioni, sono intermittenti ed è difficile conservare l'elettricità prodotta.
Tuttavia, nonostante il loro impatto ambientale, i combustibili fossili hanno continuato ad essere utilizzati come base delle forniture energetiche. Ciò perché offrono vantaggi come maggiore densità energetica, possono essere conservati per soddisfare la domanda stagionale e il loro potenziale di essere utilizzati come materia prima chimica per processi industriali che dipendono dal carbonio.
La crescente fattibilità dell'idrogeno come fonte energetica sta cambiando questo. L'idrogeno offre molti dei vantaggi delle energie rinnovabili e dei combustibili fossili: può essere prodotto con emissioni basse o nulle, può essere conservato e trasportato, brucia pulito e reattivo per l'uso in ulteriori processi o produzioni chimiche.
Pertanto, è considerato uno dei principali carburanti per aiutare a decarbonizzare l'uso dell'energia. Può essere utilizzato come carburante per il trasporto e le centrali elettriche di picco, mentre la combustione dell'idrogeno può anche fornire calore per molti tipi di industrie e edifici residenziali e commerciali. L'idrogeno può fungere da materia prima per prodotti chimici, come fertilizzanti, raffinazione del carburante e plastica.
Produzione di idrogeno per classificazioni di colore, futuro dell'economia dell'idrogeno
La produzione di idrogeno è ben compresa e possono essere utilizzati diversi processi. Questi variano nell'origine chimica dell'idrogeno e nella rinnovabilità della loro fonte di elettricità.
La produzione di idrogeno è generalmente classificata come verde, grigia, blu, marrone o bianca a seconda del metodo utilizzato. L'idrogeno verde, il tipo più ecologico, è prodotto mediante elettrolisi utilizzando energie rinnovabili o nucleari.
Se l'idrogeno deve contribuire in modo significativo alla mitigazione del cambiamento climatico, la sua produzione deve basarsi sull'elettrolisi a zero emissioni alimentata da fonti di energia rinnovabile. L'Agenzia Internazionale dell'Energia (IEA) stima che se si raggiunge l'emissione netta zero entro il 2050, la domanda totale di idrogeno dall'industria si sarà espansa del 44% entro il 2030, con l'idrogeno a basso tenore di carbonio che costituirà 21 milioni di tonnellate, secondo un rapporto di monitoraggio dell'IEA di settembre 2022 sull'idrogeno. Si stanno compiendo progressi nella crescita della produzione di idrogeno, con quasi 70 MW di capacità di elettrolisi installati nel 2020, raddoppiando il record dell'anno precedente, ha detto l'IEA.
3 metodi per ottimizzare le prestazioni dell'elettrolizzatore con controlli, strumentazione
Come processo multistadio, la produzione di idrogeno verde richiede misurazioni accurate per garantire un'operazione sicura ed efficiente. La norma ISO22734:2019 (Generatori di idrogeno mediante elettrolisi dell'acqua - Applicazioni industriali, commerciali e residenziali) stabilisce i principali parametri che devono essere misurati durante i processi di produzione di idrogeno per aiutare a mantenere il controllo e evitare potenziali problemi che potrebbero influire sull'efficienza o sulla sicurezza.
Per produrre idrogeno verde, ci sono tre metodi principali di elettrolisi attualmente in uso.
L'elettrolisi alcalina (AEC) è una tecnologia commerciale matura. Per massimizzare la conducibilità dell'elettrolita utilizzato per produrre idrogeno, gli elettrolizzatori AEC utilizzano una soluzione alcalina di idrossido di potassio (KOH) al 25-30% in peso, nota come liscivia. La natura altamente alcalina dell'elettrolita significa che qualsiasi strumento che viene a contatto con esso deve essere resistente alla corrosione. Con caratteristiche che includono un corpo in PVDF ed elettrodi in Hastelloy C, un sensore di conducibilità industriale è ideale per applicazioni aggressive come la misurazione ad alta concentrazione di KOH.
L'elettrolizzatore a membrana a scambio di protoni (PEM) utilizza acqua pura come soluzione elettrolitica, evitando la necessità di recuperare e riciclare la soluzione di elettrolita di idrossido di potassio necessaria con gli elettrolizzatori alcalini. La purezza dell'acqua è fondamentale, con osmosi inversa e resine a scambio ionico utilizzate per deionizzare l'acqua fino a una conducibilità inferiore a 0,1 mS/m. Progettata per l'uso in applicazioni di acqua ultra pura, una cella di conducibilità a 2 elettrodi può garantire che la conducibilità dell'acqua sia mantenuta a questo livello, con praticamente nessuna necessità di manutenzione.
Le celle di elettrolisi a ossidi solidi (SOE) utilizzano ceramiche come elettrolita e hanno costi di materiale bassi. Funzionando a temperature elevate e con un alto grado di efficienza elettrica, utilizzano vapore per il processo di elettrolisi e quindi richiedono una fonte di calore. Utilizzando vapore anziché acqua di compensazione per alimentare l'elettrolizzatore, gli elettrolizzatori SOE hanno requisiti di strumentazione diversi rispetto agli elettrolizzatori AEC e PEM, richiedendo una misurazione accurata del flusso, della pressione e della temperatura con strumentazione intelligente.
Controllare le reazioni di elettrolisi dell'idrogeno richiede analizzatori di gas accurati
Il controllo del processo di un processo di elettrolisi dell'idrogeno svolge tre funzioni principali: operazione sicura, conversione efficiente di potenza in idrogeno e controllo della purezza del gas.
Una sfida nel processo di elettrolisi è il potenziale accumulo di piccole concentrazioni di ossigeno nel flusso di idrogeno e di idrogeno nel flusso di ossigeno. L'assemblaggio dello stack dell'elettrolizzatore può far fuoriuscire gas da un lato della cella dell'elettrolizzatore all'altro. ISO22734 definisce ciò come una condizione di errore.
Per evitare ciò, gli elettrolizzatori di idrogeno richiedono analizzatori di gas sensibili che possano misurare tracce di idrogeno nel flusso di ossigeno e viceversa a livelli molto bassi.
Il gas di idrogeno grezzo contiene anche vapori di elettrolita provenienti dalla cella dell'elettrolizzatore. Un separatore di fase a knock-down consente la separazione tra gas e liquido dopo l'elettrolizzatore. Monitorare il livello del liquido nel separatore di fase a knock-down è fondamentale poiché un livello molto basso farebbe spegnere l'elettrolizzatore e attiverebbe una purga di gas azoto.
Misurazione del livello, controllo della temperatura per le misurazioni dell'idrogeno
Gli strumenti di misura del livello magnetico, inclusi interruttori e sensori magnetici, possono essere utilizzati per misurare livelli bassi e alti nel separatore di fase. Isolando il dispositivo dal mezzo di processo, la misurazione del livello magnetico offre una soluzione ideale senza contatto per misurare i livelli nel separatore di fase, eliminando anche la necessità di costose guarnizioni, diaframmi e connessioni di processo comunemente associati alla tecnologia degli interruttori di livello a punto. I punti di set possono essere regolati senza apportare modifiche alle tubazioni di processo, risultando in interruttori di livello che vengono rapidamente implementati, facilmente regolabili e facili da mantenere.
Il controllo della temperatura è anche fondamentale. L'approvvigionamento variabile di elettricità da fonti rinnovabili può causare un aumento della produzione dell'elettrolizzatore, richiedendo più corrente e aumentando la temperatura. Misurare continuamente la temperatura dello stack consentirà un controllo efficace del raffreddamento per mantenere i livelli entro limiti sicuri.
Combinare un termometro a resistenza di platino con un trasmettitore appropriato fornirà le misurazioni necessarie e una soluzione per attivare misure preventive in caso di allarme. Se sono incluse anche funzionalità come il monitoraggio continuo del sensore e l'autodiagnosi, c'è la possibilità aggiuntiva di raccogliere informazioni aggiuntive sulla tensione di alimentazione e su problemi come interruzioni dei fili o corrosione.
Le stesse tecnologie possono essere applicate per monitorare e controllare le temperature nella fase di de-oxo, dove tracce di ossigeno nell'idrogeno vengono convertite in acqua in una reazione catalitica esotermica per creare il prodotto finale di idrogeno. È essenziale monitorare la temperatura per garantire che la reazione rimanga sotto controllo e che le condizioni rimangano entro limiti di sicurezza.
Misurazioni di pressione, alimentazione di acqua liquida
Alcuni tipi di elettrolizzatori sono progettati per funzionare a pressione elevata. La capacità di misurare con precisione i livelli di pressione è particolarmente importante se il gas deve essere utilizzato a pressione elevata, poiché pompare l'alimentazione di acqua liquida all'elettrolizzatore a una pressione elevata come 30 bar è meno costoso e molto meno energivoro rispetto alla compressione del gas di idrogeno dalla pressione atmosferica a 30 bar dopo l'elettrolizzatore. Installare un trasmettitore di pressione digitale nel circuito dell'acqua per monitorare continuamente la pressione può aiutare a ottimizzare le prestazioni di pompaggio.
La misurazione precisa e affidabile della pressione è importante per mantenere la sicurezza del processo evitando sovrapressurizzazione dell'elettrolizzatore e garantendo che i gas di idrogeno e ossigeno generati dall'elettrolizzatore possano fluire via senza ostacoli.
I trasmettitori di pressione misurano la pressione dei gas di ossigeno e idrogeno. La certificazione da parte di TUV NORD per l'uso nei sistemi di controllo della sicurezza del processo secondo gli standard della serie IEC61508 sulla sicurezza funzionale aiuta a proteggere gli elettrolizzatori pressurizzati.
Un altro problema che può influenzare i trasmettitori di pressione nelle applicazioni dell'idrogeno è il problema della permeazione dell'idrogeno. Causata dal passaggio delle molecole di idrogeno attraverso il diaframma del trasmettitore di pressione e dalla diffusione nel fluido di riempimento del trasmettitore di pressione, la permeazione dell'idrogeno può compromettere le prestazioni del trasmettitore fino al guasto. Applicare un rivestimento nano binario a base di titanio fornisce la massima resistenza alla permeazione degli ioni di idrogeno, consentendo al diaframma del trasmettitore di pressione di rispondere alle condizioni di pressione variabili.
La misurazione intelligente aggiunge automazione, efficienza di controllo
Le tecnologie di misurazione digitale intelligenti attuali forniscono una maggiore precisione, gamma e profondità di informazioni che possono essere utilizzate per valutare le prestazioni del processo e lo stato dei dispositivi di misurazione. Funzionalità come la connettività remota aiutano a rendere le informazioni diagnostiche più utilizzabili, consentendo agli ingegneri di eseguire azioni come il tracciamento dei guasti o modifiche alla configurazione di uno strumento senza dover essere presenti. Una maggiore previsione facilita la manutenzione proattiva, evitando tempi di inattività non necessari e riducendo al minimo il rischio di danni potenziali alle principali strutture di processo o alla qualità dell'idrogeno compromessa.
Gli strumenti digitali offrono una maggiore semplicità, rendendo più facile per gli operatori di qualsiasi livello di esperienza accedere o trasmettere dati operativi e relativi alla manutenzione utilizzando tecnologie familiari, come i codici QR.
L'automazione può aiutare a sviluppare l'economia dell'idrogeno
Lo sviluppo di fonti energetiche come l'idrogeno verde è previsto giocare un ruolo sempre più importante nel raggiungimento degli obiettivi di carbonio netto zero, con stime che prevedono che l'economia globale dell'idrogeno varrà $2,5 trilioni e creerà 30 milioni di posti di lavoro entro il 2050. Come modo per massimizzare l'efficienza e la sicurezza e fornire i dati necessari per informare le decisioni, strumenti intelligenti sono quasi certamente destinati a svolgere un ruolo importante in questa crescita.
