Wereldwijde inspanningen om nul koolstofemissies vanuit de industrie te bereiken, winnen aan momentum doordat verschillende milieu-, economische en geopolitieke factoren de ontwikkeling van duurzame energiebronnen zoals groene waterstof stimuleren. De nieuwste generatie slimme instrumenten en analyzers helpen de efficiëntie, veiligheid en levensvatbaarheid van groene waterstofproductie te verbeteren. Sensoren, analyzers en zenders helpen bij het meten van geleidbaarheid, temperatuur, niveau, druk en stroming.
Met de gecombineerde zorgen over ontwrichtende klimaatverandering en energiezekerheid richten landen over de hele wereld zich op het verminderen van de productie van broeikasgassen zoals kooldioxide (CO2) en methaan en het vinden van manieren om over te stappen van fossiele brandstoffen naar meer duurzame alternatieven. De top van vorig jaar, COP26 in Glasgow, moedigde landen aan ambitieuze emissiereductiedoelstellingen voor 2030 op te stellen met als doel tegen het midden van de eeuw netto nul koolstofemissies te bereiken. Prognoses schatten dat de wereldwijde waterstofeconomie tegen 2050 $2,5 biljoen waard zal zijn en 30 miljoen banen zal creëren. Als een manier om efficiëntie en veiligheid te maximaliseren en de benodigde gegevens te verstrekken om besluitvorming te informeren,
Het behalen van deze doelstellingen betekent dat er moet worden overgestapt van conventionele energiebronnen, zoals kolen, olie en gas, naar hernieuwbare bronnen die minimale emissies produceren en niet afhankelijk zijn van een handvol landen voor de levering.
Waterstof voor duurzame brandstof, grondstof voor meststoffen, kunststoffen
De kritieke behoefte aan energievoorzieningen voor alles, van vrije tijd tot industrieel gebruik, vereist bronnen die consistent, betrouwbaar en schaalbaar zijn. Hoewel hernieuwbare bronnen, zoals wind en zon, kunnen helpen de emissies te verminderen, zijn ze intermitterend en is het moeilijk om de geproduceerde elektriciteit op te slaan.
Desondanks, ondanks hun milieueffect, blijven fossiele brandstoffen de ruggengraat van energievoorzieningen vormen. Dit komt doordat ze voordelen bieden zoals een hogere energiedichtheid, kunnen worden opgeslagen om aan seizoensgebonden vraag te voldoen en hun potentieel om te worden gebruikt als grondstof voor industriële processen die afhankelijk zijn van koolstof.
De groeiende levensvatbaarheid van waterstof als energiebron verandert dit. Waterstof biedt veel voordelen van zowel hernieuwbare als fossiele brandstoffen - het kan worden geproduceerd met lage of nul emissies, kan worden opgeslagen en getransporteerd, is schoon brandend en is reactief voor gebruik in verdere chemische verwerking of productie.
Als zodanig wordt het beschouwd als een van de belangrijkste brandstoffen om het energiegebruik te de-koolstofiseren. Het kan worden gebruikt als brandstof voor transport en elektriciteitspiekcentrales, terwijl het verbranden van waterstof ook warmte kan leveren voor veel soorten industrieën en residentiële en commerciële gebouwen. Waterstof kan dienen als grondstof voor chemicaliën, zoals meststoffen, brandstofraffinage en kunststoffen.
Waterstofproductie op basis van kleurclassificaties, toekomst van de waterstofeconomie
De productie van waterstof is goed begrepen en een aantal processen kan worden gebruikt. Deze variëren in de chemische oorsprong van de waterstof en de hernieuwbaarheid van hun elektriciteitsbron.
Waterstofproductie wordt over het algemeen geclassificeerd als groen, grijs, blauw, bruin of wit, afhankelijk van de gebruikte methode. Groene waterstof, het meest ecologisch vriendelijke type, wordt geproduceerd door elektrolyse met behulp van hernieuwbare energiebronnen of kernenergie.
Als waterstof een significante bijdrage moet leveren aan het tegengaan van klimaatverandering, moet de productie ervan gebaseerd zijn op zero-carbon elektrolyse aangedreven door hernieuwbare energiebronnen. Het Internationaal Energieagentschap (IEA) schat dat als netto nuluitstoot wordt bereikt tegen 2050, de totale waterstofvraag vanuit de industrie tegen 2030 met 44% zal zijn toegenomen, waarbij low carbon waterstof 21 miljoen ton zal uitmaken, volgens een IEA-trackingrapport over waterstof uit september 2022. Er wordt enige vooruitgang geboekt bij het verhogen van de waterstofproductie, met bijna 70 MW aan elektrolysecapaciteit geïnstalleerd in 2020, waarmee het record van het voorgaande jaar werd verdubbeld, aldus het IEA.
3 methoden om de prestaties van elektrolyzers te optimaliseren met regelingen, instrumentatie
Als een meertrapsproces vereist groene waterstofproductie nauwkeurige metingen om een veilige en efficiënte werking te waarborgen. ISO22734:2019 (Waterstofgeneratoren met waterelektrolyse - Industriële, commerciële en residentiële toepassingen) schrijft de belangrijkste parameters voor die tijdens waterstofproductieprocessen moeten worden gemeten om controle te behouden en potentiële problemen te vermijden die de efficiëntie of veiligheid zouden kunnen beïnvloeden.
Om groene waterstof te produceren, zijn er vandaag de dag drie hoofdmethoden voor elektrolyse in gebruik.
Alkalische elektrolyse (AEC) is een volwassen, commerciële technologie. Om de geleidbaarheid van de elektrolyt die wordt gebruikt om waterstof te produceren te maximaliseren, gebruiken AEC-elektrolyseapparaten een alkalische oplossing van 25-30 gew.% kaliumhydroxide (KOH), bekend als loog. De zeer alkalische aard van de elektrolyt betekent dat elk instrument dat ermee in aanraking komt corrosiebestendig moet zijn. Met functies zoals een PVDF-behuizing en Hastelloy C-elektroden is een industriële geleidbaarheidssensor ideaal voor agressieve toepassingen zoals meting van hoge concentratie KOH.
De PEM (Proton Exchange Membrane) elektrolyseapparaat gebruikt zuiver water als elektrolytoplossing, waardoor de noodzaak om het kaliumhydroxide-elektrolytoplossing die nodig is bij alkalische elektrolyseapparaten te herstellen en recyclen, wordt vermeden. De zuiverheid van het water is essentieel, waarbij omgekeerde osmose en ionenwisselingsharsen worden gebruikt om het water te deioniseren tot een geleidbaarheid van minder dan 0,1 mS/m. Ontworpen voor gebruik in ultrazuivere waterapplicaties, kan een 2-elektrode geleidbaarheidscel ervoor zorgen dat de watergeleidbaarheid op dit niveau wordt gehandhaafd, met vrijwel geen onderhoudsvereisten.
Solid Oxide Electrolysis-cellen (SOE's) gebruiken keramiek als elektrolyt en hebben lage materiaalkosten. Door te werken bij hoge temperaturen en met een hoog elektrisch rendement, gebruiken ze stoom voor het elektrolyseproces en hebben ze dus een warmtebron nodig. Door stoom te gebruiken in plaats van make-upwater om de elektrolyse te leveren, hebben SOE-elektrolyseapparaten andere instrumentatievereisten dan AEC- en PEM-elektrolyseapparaten, waarbij nauwkeurige meting van stroming, druk en temperatuur met slimme instrumentatie vereist is.
Het regelen van waterstofelektrolyse-reacties vereist nauwkeurige gasanalyzers
Procesbesturing van een waterstofelektrolyseproces voert drie hoofdfuncties uit - veilige werking, efficiënte omzetting van stroom naar waterstof en controle van gaszuiverheid.
Een uitdaging in het elektrolyseproces is het potentieel voor kleine concentraties zuurstof om zich op te hopen in de waterstofstroom en waterstof om zich op te hopen in de zuurstofstroom. De elektrolyser-stapelmontage kan gas lekken van de ene kant van de elektrolysecel naar de andere. ISO22734 definieert dit als een foutconditie.
Om dit te voorkomen, hebben waterstofelektrolyseapparaten gevoelige gasanalyzers nodig die sporen van waterstof in de zuurstofstroom en vice versa kunnen meten tot zeer lage niveaus.
Ruw waterstofgas bevat ook elektrolytdampen uit de elektrolysecel. Een knock-down fasenseparator maakt gas- en vloeistofafscheiding mogelijk na de elektrolyse. Het monitoren van het vloeistofniveau in de knock-down fasenseparator is cruciaal, aangezien een zeer laag niveau de elektrolyse zou uitschakelen en een stikstofgaszuivering zou activeren.
Niveaumeting, temperatuurregeling voor waterstofmetingen
Magnetische niveaumeters, inclusief magnetische schakelaars en sensoren, kunnen worden gebruikt om lage en hoge niveaus in de fasenseparator te meten. Door het apparaat te isoleren van het procesmedium, biedt magnetische niveaumeting een ideale contactloze oplossing voor het meten van niveaus in de fasenseparator, terwijl ook de noodzaak voor dure afdichtingen, membranen en procesaansluitingen die doorgaans worden geassocieerd met puntniveauschakeltechnologie, wordt geëlimineerd. Instelpunten kunnen worden aangepast zonder wijzigingen aan procesleidingen, wat resulteert in niveauschakelaars die snel kunnen worden ingezet, eenvoudig kunnen worden aangepast en gemakkelijk te onderhouden zijn.
Temperatuurregeling is ook cruciaal. Variabele elektriciteitsvoorziening uit hernieuwbare bronnen kan ervoor zorgen dat de elektrolyser de productie verhoogt, meer stroom trekt en de temperatuur verhoogt. Door continu de stapeltemperatuur te meten, kan effectieve controle van koeling worden uitgevoerd om de niveaus binnen veilige grenzen te houden.
Door een platinaweerstandsthermometer te combineren met een geschikte zender kunnen de benodigde metingen worden verricht en een oplossing worden geboden voor het activeren van preventieve maatregelen in geval van een alarm. Wanneer functies zoals continue sensorbewaking en zelfbewaking ook zijn inbegrepen, bestaat de mogelijkheid om aanvullende informatie te verzamelen over de voedingsspanning en problemen zoals draadbreuken of corrosie.
Dezelfde technologieën kunnen worden toegepast om de temperaturen te monitoren en te regelen in de de-oxo-fase, waar sporen van zuurstof in de waterstof worden omgezet in water in een exotherme katalytische reactie om het uiteindelijke waterstofproduct te creëren. Het is essentieel om de temperatuur te monitoren om ervoor te zorgen dat de reactie onder controle blijft en de omstandigheden binnen veilige grenzen blijven.
Drukmetingen, pompen van vloeibare wateraanvoer
Sommige soorten elektrolyseapparaten zijn ontworpen om te werken bij verhoogde druk. Het vermogen om drukniveaus nauwkeurig te meten is vooral belangrijk als het gas bij hoge druk moet worden gebruikt, aangezien het pompen van de vloeibare wateraanvoer naar de elektrolyseur naar een verhoogde druk zoals 30 bar minder kostbaar is en veel minder energie-intensief dan het comprimeren van het waterstofgas van atmosferische druk naar 30 bar na de elektrolyseur. Het installeren van een digitale drukzender in het watersysteem om de druk continu te monitoren kan helpen bij het optimaliseren van de pomp prestaties.
Nauwkeurige en betrouwbare drukmeting is belangrijk voor het handhaven van de procesveiligheid door overbelasting van de elektrolyseur te voorkomen en ervoor te zorgen dat waterstof- en zuurstofgassen die door de elektrolyseur worden gegenereerd, zonder belemmering kunnen wegstromen.
Drukzenders meten de druk van zuurstof- en waterstofgassen. Certificering door TUV NORD voor gebruik in procesveiligheidsbesturingssystemen volgens de IEC61508-standaardreeks over functionele veiligheid helpt om onder druk staande elektrolyseapparaten te beschermen.
Een ander probleem dat drukzenders in waterstoftoepassingen kan beïnvloeden, is het probleem van waterstofpermeatie. Veroorzaakt door waterstofmoleculen die door het membraan van de drukzender dringen en diffunderen in de vulvloeistof van de drukzender, kan waterstofpermeatie de prestaties van de zender aantasten totdat er een storing optreedt. Het aanbrengen van een op titanium gebaseerde binair nanocoating biedt de hoogste weerstand tegen waterstofionenpermeatie, terwijl het het membraan van de drukzender in staat stelt te reageren op veranderende drukomstandigheden.
Intelligente meting voegt automatisering toe, verbetert efficiëntie van controle
De huidige slimme digitale meettechnologieën bieden een grotere nauwkeurigheid, bereik en diepte van informatie die kan worden gebruikt om de procesprestaties en de status van de meetapparaten te beoordelen. Functies zoals externe connectiviteit helpen om diagnostische informatie bruikbaarder te maken, waardoor ingenieurs acties zoals foutopsporing of wijzigingen in de configuratie van een instrument kunnen uitvoeren zonder aanwezig te hoeven zijn. Grotere voorspelbaarheid vergemakkelijkt proactief onderhoud, waardoor onnodige downtime wordt vermeden en het risico op mogelijke schade aan belangrijke procesinstallaties of aangetaste waterstofkwaliteit wordt geminimaliseerd.
Digitale instrumenten bieden verbeterde eenvoud, waardoor het voor operators op elk ervaringsniveau gemakkelijker wordt om toegang te krijgen tot of belangrijke operationele en onderhoudsgerelateerde gegevens over te brengen met behulp van vertrouwde technologieën, zoals QR-codes.
Automatisering kan helpen bij de ontwikkeling van de waterstofeconomie
De ontwikkeling van energiebronnen zoals groene waterstof zal naar verwachting een steeds grotere rol spelen bij het bereiken van netto nul koolstofdoelstellingen, waarbij prognoses schatten dat de wereldwijde waterstofeconomie tegen 2050 $2,5 biljoen waard zal zijn en 30 miljoen banen zal creëren. Als een manier om efficiëntie en veiligheid te maximaliseren en de benodigde gegevens te verstrekken om besluitvorming te informeren, zullen slimme instrumenten vrijwel zeker een belangrijke rol spelen in deze groei.
