環境、経済、地政学的なさまざまな要因がグリーン水素などの持続可能なエネルギー源の開発を後押ししているため、産業界からのゼロ炭素排出を達成するための世界的な取り組みが加速しています。最新世代のスマート機器と分析装置は、グリーン水素生産の効率、安全性、実行可能性の向上に役立っています。センサー、分析装置、トランスミッターは、導電率、温度、レベル、圧力、流量の測定に役立ちます。
破壊的な気候変動とエネルギー安全保障の複合的な懸念により、世界中の国々は二酸化炭素 (CO2) やメタンなどの温室効果ガスの排出削減と、化石燃料からより持続可能な代替燃料への移行方法の模索に注力しています。昨年グラスゴーで開催された COP26 サミットでは、今世紀半ばまでに実質ゼロ炭素排出を達成することを目指して、2030 年に向けた野心的な排出削減目標を策定するよう各国に奨励されました。予測によれば、世界の水素経済は2050年までに2.5兆ドルの価値があり、3,000万人の雇用を創出すると見込まれています。効率と安全性を最大限に高め、意思決定に必要なデータを提供する方法として、
これらの目標を達成するには、石炭、石油、ガスなどの従来のエネルギー源から、排出量が最小限で、供給を少数の国に依存しない再生可能なエネルギー源に移行することになります。
持続可能な燃料、肥料、プラスチックの原料となる水素
レジャーから産業用途まで、あらゆる用途のエネルギー供給は極めて重要であり、一貫性があり、信頼性が高く、拡張可能な供給源が必要です。風力や太陽光などの再生可能エネルギーは排出量の削減に役立ちますが、断続的であり、生産された電気を貯蔵することは困難です。
しかし、環境への影響にもかかわらず、化石燃料はエネルギー供給の主力として使用され続けています。これは、化石燃料には、エネルギー密度が高い、季節的な需要に合わせて貯蔵できる、炭素に依存する産業プロセスの化学原料として使用できる可能性があるなどの利点があるためです。
エネルギー源としての水素の実現可能性が高まっていることで、この状況は変わりつつあります。水素は、再生可能エネルギーと化石燃料の多くの利点を備えています。つまり、排出量が少ないかゼロで生産でき、貯蔵および輸送でき、クリーンな燃焼で生産でき、さらに化学処理や生産に使用できる反応性があります。
そのため、水素はエネルギー使用の脱炭素化に役立つ重要な燃料の 1 つと考えられています。水素は輸送機関や電力ピークプラントの燃料として使用できるほか、燃焼により多くの種類の産業や住宅、商業ビルに熱を供給することもできます。水素は、肥料、燃料精製、プラスチックなどの化学物質の原料として使用できます。
色分けによる水素生産、水素経済の未来
水素の生産は十分に理解されており、さまざまなプロセスが使用できます。これらは、水素の化学的起源と電源の再生可能性によって異なります。
水素の生産は、使用される方法に応じて、一般的にグリーン、グレー、ブルー、ブラウン、ホワイトに分類されます。最も環境に優しいタイプのグリーン水素は、再生可能エネルギーまたは原子力エネルギーを使用した電気分解によって生産されます。
水素が気候変動の緩和に大きく貢献するには、再生可能エネルギー源で稼働するゼロカーボン電気分解に基づいて生産する必要があります。国際エネルギー機関（IEA）は、2050年までにネットゼロ排出が達成されれば、産業界からの水素の総需要は2030年までに44％増加し、低炭素水素は2100万トンになると推定しています。これは、IEAの2022年9月の水素追跡レポートによるものです。IEAによると、水素生産の増加には一定の進歩があり、2020年には約70MWの電気分解能力が設置され、前年の記録の2倍になりました。
制御、計装による電解槽の性能を最適化する3つの方法
グリーン水素の生産は多段階プロセスであるため、安全で効率的な操作を保証するために正確な測定が必要です。ISO22734:2019 (水電解を使用した水素発生器 - 工業、商業、住宅用途) では、制御を維持し、効率や安全性に影響を与える可能性のある潜在的な問題を回避するために、水素生産プロセス中に測定する必要がある主なパラメータを規定しています。
グリーン水素を生成するために、現在使用されている主な電気分解法は 3 つあります。
アルカリ電気分解 (AEC) は、成熟した商用技術です。水素を生成するために使用される電解質の導電性を最大化するために、AEC 電解装置は、苛性ソーダとして知られる 25～30 重量% の水酸化カリウム (KOH) のアルカリ溶液を使用します。電解質のアルカリ性が高いため、電解質と接触する機器はすべて耐腐食性でなければなりません。PVDF 本体やハステロイ C 電極などの機能を備えた工業用導電率センサーは、高濃度 KOH 測定などの過酷な用途に最適です。
PEM (プロトン交換膜) 電解装置は、純水を電解液として使用し、アルカリ電解装置で必要な水酸化カリウム電解液を回収してリサイクルする必要がありません。水の純度が重要で、逆浸透とイオン交換樹脂を使用して水を脱イオン化し、導電率を 0.1 mS/m 未満にします。超純水用途向けに設計された 2 電極導電率セルは、実質的にメンテナンスを必要とせずに、水の導電率をこのレベルに維持できます。
固体酸化物電解セル (SOE) は、電解質としてセラミックを使用し、材料コストが低くなっています。高温で動作し、電気効率が高いため、電解プロセスに蒸気を使用するため、熱源が必要です。電解装置に補給水ではなく蒸気を供給する SOE 電解装置は、AEC 電解装置や PEM 電解装置とは異なる計装要件があり、スマートな計装を使用して流量、圧力、温度を正確に測定する必要があります。
水素電解反応の制御には正確なガスアナライザーが必要です
水素電解プロセスのプロセス制御は、安全な運転、効率的な電力から水素への変換、ガス純度の制御の3つの主要な機能を実行します。
電解プロセスの1つの課題は、水素ストリームに酸素の微量が蓄積し、酸素ストリームに水素が蓄積する可能性があることです。電解装置スタックアセンブリは、電解装置セルの片側からもう片側にガスを漏らす可能性があります。ISO22734はこれを故障条件と定義しています。
これを回避するために、水素電解装置には、酸素ストリーム内の微量の水素やその逆を非常に低いレベルで測定できる感度の高いガスアナライザーが必要です。
生の水素ガスには、電解装置セルからの電解質蒸気も含まれています。ノックダウン相分離器では、電解装置の後にガスと液体を分離します。ノックダウン相分離器内の液体レベルを監視することは重要です。非常に低いレベルでは電解装置がシャットダウンし、窒素ガスパージがトリガーされます。
水素測定のためのレベル測定、温度制御
磁気レベル計器、磁気スイッチ、センサーを使用して、相分離器内の低レベルと高レベルを測定することができます。プロセス媒体からデバイスを分離することで、磁気レベル計測は相分離器内のレベルを測定するための非接触ソリューションを提供し、ポイントレベルスイッチ技術に一般的に関連付けられる高価なシール、ダイアフラム、プロセス接続の必要性を排除します。設定ポイントはプロセス配管の変更なしに調整でき、迅速に展開され、簡単に調整およびメンテナンスできるレベルスイッチを提供します。
温度制御も重要です。再生可能エネルギー源からの可変電力供給は、電解装置を増産させ、より多くの電流を引き込み、温度を上昇させる可能性があります。スタック温度を継続的に測定することで、安全な限界内での冷却制御を効果的に行うことができます。
白金抵抗温度計と適切なトランスミッターを組み合わせることで、必要な測定値とアラーム発生時の予防措置のトリガーを提供します。連続センサーモニタリングや自己モニタリングなどの機能が含まれている場合、供給電圧やワイヤーブレーク、腐食などの問題に関する追加情報を収集する可能性もあります。
酸素の微量が水素中に変換される脱酸ステージでは、同じ技術が温度を監視および制御するために適用されることができます。これは、最終的な水素生成物を作るためのエンドセルでの反応が制御され、条件が安全な範囲内に保たれることを確認するために重要です。
圧力測定、液体水供給のポンピング
一部の種類の電解装置は、高圧での運転を前提として設計されています。特にガスを高圧で使用する場合、圧力レベルを正確に測定する能力は重要です。電解装置への液体水供給を30バールなどの高圧までポンプで送ることは、電解装置後に大気圧から30バールまで水素ガスを圧縮するよりも費用がかからず、エネルギー消費も少なくなります。水回路にデジタル圧力トランスミッターを取り付けて圧力を連続的に監視することで、ポンプの性能を最適化するのに役立ちます。
正確で信頼性の高い圧力測定は、電解装置の過圧化を防ぎ、電解装置によって生成される水素と酸素ガスが障害なく流れることを確認することで、プロセスの安全性を維持する上で重要です。
圧力トランスミッターは、酸素と水素ガスの圧力を測定します。IEC61508標準シリーズに基づくプロセス安全制御システムでの使用に対するTUV NORDの認証は、圧力電解装置を保護するのに役立ちます。
水素アプリケーションにおける圧力トランスミッターに影響を与える別の問題は、水素透過の問題です。水素分子が圧力トランスミッターのダイヤフラムを通過し、圧力トランスミッターの充填液に拡散することによって引き起こされる水素透過は、トランスミッターの性能を損ない、最終的には故障が発生するまで影響を与える可能性があります。チタンベースのバイナリーナノコーティングを施すことで、最高の水素イオン透過耐性が提供され、同時に圧力トランスミッターダイヤフラムが圧力条件の変化に対応できるようになります。
スマート測定が自動化と制御効率を追加
今日のスマートデジタル測定技術は、プロセスのパフォーマンスや測定デバイスの状態を評価するために使用できる情報の精度、範囲、深さを提供します。リモート接続などの機能により、診断情報をより使いやすくし、エンジニアが現場にいなくても故障の追跡や機器の構成の変更などの作業を行うことができます。より高い予測性は、予防的なメンテナンスを容易にし、不要な停止時間を回避し、主要なプロセスプラントの損傷や水素品質の損傷のリスクを最小限に抑えます。
デジタルインストゥルメンツは、QRコードなどの馴染みのある技術を使用して、どのレベルの経験を持つオペレーターでも重要な運用およびメンテナンス関連データにアクセスしたり、それを伝達したりすることを容易にすることで、操作性を向上させます。
自動化は水素経済の発展を支援する
グリーン水素などのエネルギー源の開発は、2050年までに世界の水素経済が2.5兆ドルに達し、3000万の雇用を創出すると予測されており、ネットゼロの炭素目標達成において成長する役割を果たすと予想されています。効率と安全性を最大化し、意思決定に必要なデータを提供するために、スマートインストゥルメンツはこの成長において大きな役割を果たすことがほぼ確実です。
