Os esforços globais para alcançar zero emissões de carbono na indústria estão ganhando ritmo, pois uma variedade de fatores ambientais, econômicos e geopolíticos estão impulsionando o desenvolvimento de fontes de energia sustentáveis, como o hidrogênio verde. A última geração de instrumentos e analisadores inteligentes está ajudando a aprimorar a eficiência, segurança e viabilidade da produção de hidrogênio verde. Sensores, analisadores e transmissores ajudam na medição de condutividade, temperatura, nível, pressão e fluxo.
Com as preocupações combinadas das mudanças climáticas disruptivas e da segurança energética, países ao redor do mundo estão focando na redução da produção de gases de efeito estufa, como dióxido de carbono (CO2) e metano, e encontrando maneiras de mudar de combustíveis fósseis para alternativas mais sustentáveis. A cúpula COP26 do ano passado em Glasgow encorajou os países a estabelecer metas ambiciosas de redução de emissões para 2030 com o objetivo de atingir zero emissões líquidas de carbono até meados do século. Projeções estimam que a economia global do hidrogênio valerá US$ 2,5 trilhões e criará 30 milhões de empregos até 2050. Como forma de maximizar a eficiência e segurança e fornecer os dados necessários para informar a tomada de decisões,
Alcançar essas metas significará a transição de fontes de energia convencionais, como carvão, petróleo e gás, para fontes renováveis que produzem emissões mínimas e não dependem de um punhado de países para o fornecimento.
Hidrogênio para combustível sustentável, matéria-prima para fertilizantes, plásticos
A criticidade do fornecimento de energia para tudo, desde lazer até uso industrial, requer fontes que sejam consistentes, confiáveis e escaláveis. Embora fontes renováveis, como vento e solar, possam ajudar a reduzir as emissões, são intermitentes e é difícil armazenar a eletricidade produzida.
No entanto, apesar de seu impacto ambiental, os combustíveis fósseis continuaram a ser usados como a principal fonte de energia. Isso ocorre porque oferecem vantagens como maior densidade energética, podem ser armazenados para atender à demanda sazonal e seu potencial para serem usados como matéria-prima para processos industriais que dependem de carbono.
A crescente viabilidade do hidrogênio como fonte de energia está mudando isso. O hidrogênio oferece muitas das vantagens das energias renováveis e dos combustíveis fósseis - pode ser produzido com baixas ou zero emissões, pode ser armazenado e transportado, é limpo na queima e é reativo para uso em processos ou produção química adicional.
Como tal, é considerado um dos principais combustíveis para ajudar a descarbonizar o uso de energia. Pode ser usado como combustível para transporte e usinas de pico de eletricidade, enquanto a queima de hidrogênio também pode fornecer calor para muitos tipos de indústrias e edifícios residenciais e comerciais. O hidrogênio pode atuar como matéria-prima para produtos químicos, como fertilizantes, refino de combustíveis e plásticos.
Produção de hidrogênio por classificações de cores, futuro da economia do hidrogênio
A produção de hidrogênio é bem compreendida e vários processos podem ser usados. Eles variam na origem química do hidrogênio e na renovabilidade de sua fonte de eletricidade.
A produção de hidrogênio é geralmente classificada como verde, cinza, azul, marrom ou branco, dependendo do método utilizado. O hidrogênio verde, o tipo mais ecologicamente correto, é produzido por meio de eletrólise usando energias renováveis ou nucleares.
Se o hidrogênio deve contribuir significativamente para mitigar as mudanças climáticas, sua produção deve ser baseada em eletrólise de zero carbono alimentada por fontes de energia renováveis. A Agência Internacional de Energia (IEA) estima que, se as emissões líquidas zero forem alcançadas até 2050, a demanda total de hidrogênio da indústria terá aumentado em 44% até 2030, com o hidrogênio de baixo carbono representando 21 milhões de toneladas, de acordo com um relatório de rastreamento da IEA de setembro de 2022 sobre hidrogênio. Algum progresso está sendo feito no aumento da produção de hidrogênio, com quase 70 MW de capacidade de eletrólise instalados em 2020, dobrando o recorde do ano anterior, disse a IEA.
3 métodos para otimizar o desempenho do eletrólito com controles, instrumentação
Como um processo de vários estágios, a produção de hidrogênio verde requer medições precisas para garantir uma operação segura e eficiente. A ISO22734:2019 (Geradores de hidrogênio usando eletrólise da água - Aplicações industriais, comerciais e residenciais) estipula os principais parâmetros que precisam ser medidos durante os processos de produção de hidrogênio para ajudar a manter o controle e evitar problemas potenciais que possam afetar a eficiência ou a segurança.
Para produzir hidrogênio verde, existem três métodos principais de eletrólise em uso hoje.
A eletrólise alcalina (AEC) é uma tecnologia comercial madura. Para maximizar a condutividade do eletrólito usado para produzir hidrogênio, os eletrolisadores AEC usam uma solução alcalina de 25-30% em peso de hidróxido de potássio (KOH), conhecida como soda cáustica. A natureza altamente alcalina do eletrólito significa que qualquer instrumento que entre em contato com ele deve ser à prova de corrosão. Com recursos como um corpo de PVDF e eletrodos de Hastelloy C, um sensor de condutividade industrial é ideal para aplicações agressivas, como medição de alta concentração de KOH.
O eletrolisador de membrana de troca de prótons (PEM) usa água pura como solução eletrolítica, evitando a necessidade de recuperar e reciclar a solução eletrolítica de hidróxido de potássio necessária com os eletrolisadores alcalinos. A pureza da água é fundamental, com osmose reversa e resinas de troca iônica sendo usadas para desionizar a água para uma condutividade inferior a 0,1 mS/m. Projetada para uso em aplicações de água ultra pura, uma célula de condutividade de 2 eletrodos pode garantir que a condutividade da água seja mantida nesse nível, com praticamente nenhuma necessidade de manutenção.
As células de eletrólise de óxido sólido (SOEs) usam cerâmica como eletrólito e têm baixos custos de material. Operando em altas temperaturas e com um alto grau de eficiência elétrica, elas usam vapor para o processo de eletrólise e, portanto, requerem uma fonte de calor. Usando vapor em vez de água de reposição para fornecer o eletrolisador, os eletrolisadores SOE têm requisitos de instrumentação diferentes dos eletrolisadores AEC e PEM, exigindo medição precisa de fluxo, pressão e temperatura com instrumentação inteligente.
O controle das reações de eletrólise de hidrogênio requer analisadores de gás precisos
O controle de processo de um processo de eletrólise de hidrogênio desempenha três funções principais - operação segura, conversão eficiente de energia em hidrogênio e controle de pureza do gás.
Um desafio no processo de eletrólise é o potencial para pequenas concentrações de oxigênio se acumularem no fluxo de hidrogênio e de hidrogênio se acumularem no fluxo de oxigênio. A montagem do conjunto do eletrólito pode vazar gás de um lado da célula do eletrólito para o outro. A ISO22734 define isso como uma condição de falha.
Para evitar isso, os eletrolisadores de hidrogênio requerem analisadores de gás sensíveis que possam medir traços de hidrogênio no fluxo de oxigênio e vice-versa em níveis muito baixos.
O gás de hidrogênio bruto também contém vapores de eletrólito da célula do eletrolisador. Um separador de fase de queda permite a separação de gás e líquido após o eletrolisador. Monitorar o nível de líquido no separador de fase de queda é crítico, pois um nível muito baixo desligaria o eletrolisador e acionaria uma purga de gás nitrogênio.
Medição de nível, controle de temperatura para medições de hidrogênio
Instrumentos de nível magnético, incluindo chaves e sensores magnéticos, podem ser usados para medir baixos e altos níveis no separador de fase. Isolando o dispositivo do meio do processo, a medição de nível magnético oferece uma solução ideal sem contato para medir níveis no separador de fase, eliminando a necessidade de selos, diafragmas e conexões de processo caros comumente associados à tecnologia de chave de nível pontual. Os pontos de ajuste podem ser ajustados sem alterações nas tubulações de processo, resultando em chaves de nível que são rapidamente implantadas, facilmente ajustáveis e fáceis de manter.
O controle de temperatura também é crítico. O fornecimento variável de eletricidade de fontes renováveis pode fazer com que o eletrolisador aumente a produção, consumindo mais corrente e elevando a temperatura. Medir continuamente a temperatura do conjunto permitirá um controle eficaz do resfriamento para manter os níveis dentro de limites seguros.
Combinar um termômetro de resistência de platina com um transmissor apropriado fornecerá as medições necessárias e uma solução para acionar medidas preventivas em caso de alarme. Quando recursos como monitoramento contínuo do sensor e auto-monitoramento também estão incluídos, há a possibilidade adicional de reunir informações adicionais sobre a voltagem de alimentação e problemas como quebras de fio ou corrosão.
As mesmas tecnologias podem ser aplicadas para monitorar e controlar as temperaturas na etapa de de-oxo, onde traços de oxigênio no hidrogênio são convertidos em água em uma reação catalítica exotérmica para criar o produto final de hidrogênio. É essencial monitorar a temperatura para garantir que a reação permaneça sob controle e as condições permaneçam dentro de limites seguros.
Medições de pressão, fornecimento de água líquida
Alguns tipos de eletrólitos são projetados para operar em pressão elevada. A capacidade de medir com precisão os níveis de pressão é especialmente importante se o gás for utilizado em alta pressão, pois bombear o fornecimento de água líquida para o eletrólito a uma pressão elevada, como 30 bar, é menos custoso e muito menos intensivo em energia do que comprimir o gás de hidrogênio da pressão atmosférica para 30 bar após o eletrólito. Instalar um transmissor de pressão digital no circuito de água para monitorar continuamente a pressão pode ajudar a otimizar o desempenho da bomba.
A medição precisa e confiável da pressão é importante para manter a segurança do processo, evitando a sobrepressurização do eletrólito e garantindo que os gases de hidrogênio e oxigênio gerados pelo eletrólito possam fluir sem obstruções.
Os transmissores de pressão medem a pressão dos gases de oxigênio e hidrogênio. A certificação pela TUV NORD para uso em sistemas de controle de segurança de processo de acordo com a série de normas IEC61508 sobre segurança funcional ajuda a proteger os eletrólitos pressurizados.
Outra questão que pode afetar os transmissores de pressão em aplicações de hidrogênio é o problema da permeação de hidrogênio. Causada pela passagem de moléculas de hidrogênio através do diafragma do transmissor de pressão e pela difusão no fluido de preenchimento do transmissor de pressão, a permeação de hidrogênio pode prejudicar o desempenho do transmissor até que ocorra a falha. Aplicar um revestimento nano binário à base de titânio oferece a maior resistência contra a permeação de íons de hidrogênio, permitindo que o diafragma do transmissor de pressão responda às condições de pressão em mudança.
A medição inteligente adiciona automação, eficiência de controle
As tecnologias de medição digital inteligente de hoje oferecem maior precisão, alcance e profundidade de informações que podem ser usadas para avaliar o desempenho do processo e o status dos dispositivos de medição. Recursos como conectividade remota ajudam a tornar as informações de diagnóstico mais utilizáveis, permitindo que os engenheiros realizem ações como rastreamento de falhas ou alterações na configuração de um instrumento sem precisar estar presente. Maior previsibilidade facilita a manutenção proativa, evitando tempo de inatividade desnecessário e minimizando o risco de danos potenciais às principais instalações de processos ou à qualidade do hidrogênio.
Os instrumentos digitais oferecem simplicidade aprimorada, facilitando para os operadores em qualquer nível de experiência acessar ou transmitir dados operacionais e de manutenção usando tecnologias familiares, como códigos QR.
A automação pode ajudar a desenvolver a economia do hidrogênio
O desenvolvimento de fontes de energia como o hidrogênio verde é previsto para desempenhar um papel crescente na conquista de metas de carbono zero, com projeções estimando que a economia global de hidrogênio valerá US$ 2,5 trilhões e criará 30 milhões de empregos até 2050. Como forma de maximizar a eficiência e segurança e fornecer os dados necessários para informar a tomada de decisões, instrumentos inteligentes quase certamente desempenharão um papel importante nesse crescimento.
