산업에서의 탄소 배출 제로 달성을 위한 글로벌 노력이 가속화되고 있으며, 다양한 환경적, 경제적, 지정학적 요인이 그린 수소와 같은 지속 가능한 에너지원 개발을 추진하고 있습니다. 최신 세대의 스마트 기기와 분석기는 그린 수소 생산의 효율성, 안전성 및 타당성을 향상시키는 데 도움을 주고 있습니다. 센서, 분석기 및 송신기는 전도도, 온도, 레벨, 압력 및 흐름을 측정하는 데 도움을 줍니다.
기후 변화와 에너지 안보에 대한 복합적인 우려로 인해 전 세계 국가들은 이산화탄소(CO2)와 메탄과 같은 온실가스 배출을 줄이고 화석 연료에서 보다 지속 가능한 대안으로 전환하는 방법을 모색하고 있습니다. 작년 글래스고에서 열린 COP26 정상회의는 2030년까지 야심 찬 배출 감소 목표를 수립하고 세기 중반까지 탄소 배출 제로를 달성하기 위한 목표를 제시했습니다. 2050년까지 글로벌 수소 경제는 2.5조 달러의 가치가 있을 것으로 예상되며, 3천만 개의 일자리를 창출할 것입니다. 효율성과 안전성을 극대화하고 의사 결정에 필요한 데이터를 제공하기 위해,
이러한 목표를 달성하려면 석탄, 석유 및 가스와 같은 기존 에너지원에서 최소한의 배출을 발생시키고 소수의 국가에 의존하지 않는 재생 가능 원천으로 전환해야 합니다.
지속 가능한 연료, 비료 및 플라스틱의 원료로서의 수소
여가에서 산업용까지 모든 것에 대한 에너지 공급의 중요성은 일관되고 신뢰할 수 있으며 확장 가능한 원천을 필요로 합니다. 풍력 및 태양광과 같은 재생 가능 원천은 배출을 줄이는 데 도움이 될 수 있지만, 간헐적이며 생산된 전기를 저장하기 어렵습니다.
그러나 환경적 영향에도 불구하고 화석 연료는 여전히 에너지 공급의 주류로 사용되고 있습니다. 이는 화석 연료가 높은 에너지 밀도를 제공하고, 계절적 수요를 충족하기 위해 저장될 수 있으며, 탄소에 의존하는 산업 공정의 화학 원료로 사용될 수 있는 잠재력을 가지고 있기 때문입니다.
수소가 에너지원으로서의 가능성이 커지면서 상황이 변화하고 있습니다. 수소는 재생 가능 에너지와 화석 연료의 많은 장점을 제공합니다. 낮거나 제로 배출로 생산될 수 있으며, 저장 및 운송이 가능하고, 청정 연소를 통해 열을 제공하며, 추가 화학 처리나 생산에 사용될 수 있는 반응성을 가지고 있습니다.
따라서 수소는 에너지 사용의 탈탄소화를 돕는 주요 연료 중 하나로 간주됩니다. 수소는 운송 연료 및 전기 피킹 플랜트의 연료로 사용될 수 있으며, 수소 연소는 다양한 산업 및 주거 및 상업 건물에 열을 제공할 수 있습니다. 수소는 비료, 연료 정제 및 플라스틱과 같은 화학 물질의 원료로 작용할 수 있습니다.
수소 생산의 색상 분류, 수소 경제의 미래
수소 생산은 잘 이해되고 있으며, 여러 가지 공정이 사용될 수 있습니다. 이들은 수소의 화학적 기원과 전기 원천의 재생 가능성에 따라 다릅니다.
수소 생산은 일반적으로 사용된 방법에 따라 그린, 그레이, 블루, 브라운 또는 화이트로 분류됩니다. 가장 생태학적으로 친환경적인 유형인 그린 수소는 재생 가능 에너지나 원자력 에너지를 사용한 전기분해로 생산됩니다.
수소가 기후 변화 완화에 중요한 기여를 하려면, 그 생산은 재생 가능 에너지원으로 구동되는 제로 탄소 전기분해에 기반해야 합니다. 국제에너지기구(IEA)는 2050년까지 탄소 배출 제로가 달성되면 산업에서의 총 수소 수요가 2030년까지 44% 증가할 것이며, 저탄소 수소가 2,100만 톤을 차지할 것이라고 추정합니다. IEA의 2022년 9월 수소 추적 보고서에 따르면, 2020년에 거의 70MW의 전기분해 용량이 설치되어 전년 기록의 두 배에 달하는 성과를 보였습니다.
제어, 계측을 통한 전해조 성능 최적화 방법 3가지
그린 수소 생산은 다단계 과정으로, 안전하고 효율적인 운영을 보장하기 위해 정확한 측정이 필요합니다. ISO22734:2019(물 전기분해를 이용한 수소 발생기 – 산업, 상업 및 주거용 응용)는 수소 생산 과정에서 효율성이나 안전성에 영향을 미칠 수 있는 잠재적 문제를 피하고 제어를 유지하기 위해 측정해야 하는 주요 매개변수를 규정하고 있습니다.
녹색 수소를 생산하기 위해 오늘날 사용되는 세 가지 주요 전해 방법이 있습니다.
알칼리 전해(Alkaline Electrolysis, AEC)는 성숙한 상업 기술입니다. 수소를 생산하기 위해 사용되는 전해질의 전도성을 극대화하기 위해 AEC 전해조는 25-30 wt% 수산화 칼륨(KOH) 용액인 알칼리 용액을 사용합니다. 전해질의 높은 알칼리성으로 인해 접촉하는 모든 기기는 부식 방지 기능이 있어야 합니다. PVDF 본체와 Hastelloy C 전극을 포함한 기능을 갖춘 산업용 전도도 센서는 고농도 KOH 측정과 같은 공격적인 응용 분야에 이상적으로 적합합니다.
PEM(프로톤 교환막) 전해조는 전해질 용액으로 순수한 물을 사용하여 알칼리 전해조에서 필요한 수산화 칼륨 전해질 용액을 회수하고 재활용할 필요가 없습니다. 물의 순도가 중요하며, 역삼투압 및 이온 교환 수지를 사용하여 물을 탈이온화하여 전도도를 0.1 mS/m 미만으로 유지합니다. 초순수 물 응용 분야에 사용하도록 설계된 2-전극 전도도 셀은 물의 전도도가 이 수준으로 유지되도록 보장하며, 유지 관리가 거의 필요하지 않습니다.
고체 산화물 전해 셀(Solid Oxide Electrolysis cells, SOEs)은 전해질로 세라믹을 사용하며 재료 비용이 낮습니다. 높은 온도에서 작동하며 높은 전기 효율을 가지고 있으며, 전해 과정에 증기를 사용하므로 열원이 필요합니다. 전해조에 공급하기 위해 메이크업 워터 대신 증기를 사용함으로써 SOE 전해조는 AEC 및 PEM 전해조와 다른 계측 요구 사항을 가지며, 스마트 계측을 통해 유량, 압력 및 온도의 정확한 측정이 필요합니다.
수소 전해 반응을 제어하려면 정확한 가스 분석기가 필요합니다.
수소 전해 공정의 프로세스 제어는 안전한 작동, 효율적인 전력-수소 변환 및 가스 순도 제어의 세 가지 주요 기능을 수행합니다.
전해 과정에서의 한 가지 도전 과제는 수소 흐름에서 산소의 작은 농도가 축적되거나 산소 흐름에서 수소가 축적될 가능성입니다. 전해조 스택 조립은 전해조 셀의 한쪽에서 다른 쪽으로 가스를 누출할 수 있습니다. ISO22734는 이를 결함 조건으로 정의합니다.
이를 방지하기 위해 수소 전해조는 산소 흐름에서 수소의 흔적을 측정하고 그 반대의 경우도 매우 낮은 수준으로 측정할 수 있는 민감한 가스 분석기가 필요합니다.
원시 수소 가스에는 전해조 셀에서 전해질 증기도 포함되어 있습니다. 노크다운 위상 분리기는 전해조 후 가스와 액체를 분리할 수 있습니다. 노크다운 위상 분리기의 액체 수준을 모니터링하는 것은 매우 낮은 수준이 전해조를 종료하고 질소 가스 퍼지를 유발할 수 있기 때문에 중요합니다.
수소 측정을 위한 레벨 측정, 온도 제어
자기 레벨 기기, 자기 스위치 및 센서를 포함하여 위상 분리기의 낮고 높은 수준을 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 장치를 공정 매체로부터 격리함으로써 자기 레벨 측정은 위상 분리기의 레벨을 측정하기 위한 이상적인 비접촉 솔루션을 제공하며, 포인트 레벨 스위치 기술과 일반적으로 관련된 비용이 많이 드는 씰, 다이어프램 및 공정 연결의 필요성을 제거합니다. 설정 지점은 공정 배관의 변경 없이 조정할 수 있어 레벨 스위치가 신속하게 배치되고 쉽게 조정 및 유지 관리할 수 있습니다.
온도 제어도 중요합니다. 재생 가능한 에너지원으로부터의 가변 전기 공급은 전해조가 생산을 증가시키고 더 많은 전류를 끌어들여 온도를 상승시킬 수 있습니다. 스택 온도를 지속적으로 측정하면 냉각을 효과적으로 제어하여 안전한 한도 내에서 수준을 유지할 수 있습니다.
백금 저항 온도계와 적절한 송신기를 결합하면 경보 발생 시 예방 조치를 트리거하는 데 필요한 측정을 제공할 수 있습니다. 연속 센서 모니터링 및 자체 모니터링과 같은 기능이 포함된 경우, 공급 전압 및 와이어 파손 또는 부식과 같은 문제에 대한 추가 정보를 수집할 가능성이 추가됩니다.
동일한 기술을 적용하여 수소 내 산소의 흔적이 최종 수소 제품을 생성하기 위해 물로 변환되는 발열 촉매 반응인 탈산소 단계에서 온도를 모니터링하고 제어할 수 있습니다. 반응이 통제되고 조건이 안전한 한도 내에 유지되도록 온도를 모니터링하는 것이 필수적입니다.
압력 측정, 액체 물 공급 펌핑
일부 유형의 전해조는 고압에서 작동하도록 설계되었습니다. 가스를 고압에서 사용하려면 압력 수준을 정확하게 측정하는 것이 특히 중요합니다. 전해조에 액체 물 공급을 30바와 같은 고압으로 펌핑하는 것이 전해조 후 수소 가스를 대기압에서 30바로 압축하는 것보다 비용이 적게 들고 에너지가 덜 소모됩니다. 물 회로에 디지털 압력 송신기를 설치하여 압력을 지속적으로 모니터링하면 펌핑 성능을 최적화하는 데 도움이 될 수 있습니다.
정확하고 신뢰할 수 있는 압력 측정은 전해조의 과압을 방지하고 전해조에서 생성된 수소 및 산소 가스가 막힘 없이 흐를 수 있도록 함으로써 공정 안전을 유지하는 데 중요합니다.
압력 송신기는 산소 및 수소 가스의 압력을 측정합니다. IEC61508 기능 안전 표준 시리즈에 따라 공정 안전 제어 시스템에서 사용하기 위한 TUV NORD 인증은 압력 전해조를 보호하는 데 도움이 됩니다.
수소 응용 분야에서 압력 송신기에 영향을 미칠 수 있는 또 다른 문제는 수소 침투 문제입니다. 수소 분자가 압력 송신기 다이어프램을 통과하여 압력 송신기의 충전 유체로 확산됨으로써 발생하는 수소 침투는 송신기 성능을 저하시켜 고장에 이를 수 있습니다. 티타늄 기반의 이진 나노 코팅을 적용하면 수소 이온 침투에 대한 가장 높은 저항을 제공하면서 압력 송신기 다이어프램이 변화하는 압력 조건에 반응할 수 있게 합니다.
스마트 측정은 자동화, 제어 효율성을 추가합니다
오늘날의 스마트 디지털 측정 기술은 공정 성능과 측정 장치의 상태를 평가하는 데 사용할 수 있는 더 큰 정확성, 범위 및 깊이의 정보를 제공합니다. 원격 연결과 같은 기능은 진단 정보를 더 사용하기 쉽게 만들어 엔지니어가 현장에 있지 않고도 결함 추적이나 기기 구성 변경과 같은 작업을 수행할 수 있게 합니다. 더 큰 예측성은 불필요한 다운타임을 방지하고 주요 공정 장치의 잠재적 손상이나 수소 품질 저하의 위험을 최소화하는 데 도움이 됩니다.
디지털 기기는 향상된 단순성을 제공하여 경험 수준에 관계없이 운영자가 QR 코드와 같은 친숙한 기술을 사용하여 주요 운영 및 유지보수 관련 데이터를 액세스하거나 전달하기 쉽게 만듭니다.
자동화는 수소 경제 발전에 기여할 수 있습니다
녹색 수소와 같은 에너지원의 개발은 탄소 중립 목표를 달성하는 데 점점 더 중요한 역할을 할 것으로 예상되며, 2050년까지 글로벌 수소 경제가 2.5조 달러의 가치가 있고 3천만 개의 일자리를 창출할 것으로 예상됩니다. 효율성과 안전성을 극대화하고 의사 결정에 필요한 데이터를 제공하는 방법으로 스마트 기기가 이 성장에 중요한 역할을 할 것으로 거의 확실시됩니다.
