Глобальные усилия по достижению нулевых выбросов углерода из промышленности набирают обороты, поскольку различные экологические, экономические и геополитические факторы стимулируют развитие устойчивых источников энергии, таких как зеленый водород. Последнее поколение интеллектуальных приборов и анализаторов помогает улучшить эффективность, безопасность и жизнеспособность производства зеленого водорода. Датчики, анализаторы и передатчики помогают измерять проводимость, температуру, уровень, давление и расход.
Совместные заботы о разрушительном изменении климата и энергетической безопасности заставляют страны по всему миру сосредоточиться на снижении производства парниковых газов, таких как углекислый газ (CO2) и метан, и на поиске способов перехода от ископаемых топлив к более устойчивым альтернативам. Прошлогодний саммит COP26 в Глазго поощрил страны разработать амбициозные цели по снижению выбросов к 2030 году с целью достижения нулевых выбросов углерода к середине века. Прогнозы показывают, что мировая водородная экономика к 2050 году будет стоить $2,5 триллиона и создаст 30 миллионов рабочих мест. Для максимизации эффективности и безопасности, а также предоставления данных, необходимых для принятия решений,
Достижение этих целей потребует перехода от традиционных источников энергии, таких как уголь, нефть и газ, к возобновляемым источникам, которые производят минимальные выбросы и не зависят от нескольких стран для поставок.
Водород как устойчивое топливо, сырье для удобрений, пластмасс
Критичность энергоснабжения для всего, начиная от досуга и заканчивая промышленным использованием, требует источников, которые являются стабильными, надежными и масштабируемыми. Хотя возобновляемые источники, такие как ветер и солнце, могут помочь снизить выбросы, они непостоянны, и трудно хранить произведенное электричество.
Однако, несмотря на их экологическое воздействие, ископаемые топлива продолжают использоваться в качестве основного источника энергии. Это потому, что они обладают преимуществами, такими как более высокая энергетическая плотность, могут храниться для удовлетворения сезонного спроса и их потенциал использоваться в качестве сырья для промышленных процессов, зависящих от углерода.
Возрастающая жизнеспособность водорода в качестве источника энергии меняет эту ситуацию. Водород обладает многими преимуществами как возобновляемые, так и ископаемые топлива - его можно производить с низкими или нулевыми выбросами, хранить и транспортировать, он чисто сжигается и реактивен для использования в дальнейшей химической обработке или производстве.
Поэтому он считается одним из ключевых видов топлива для декарбонизации энергопотребления. Его можно использовать в качестве топлива для транспорта и электростанций пиковой мощности, а сжигание водорода также может обеспечить тепло для многих видов промышленности, а также жилых и коммерческих зданий. Водород может выступать в качестве сырья для химических веществ, таких как удобрения, переработка топлива и пластмассы.
Производство водорода по цветовым классификациям, будущее водородной экономики
Производство водорода хорошо изучено, и может использоваться несколько процессов. Они различаются по химическому происхождению водорода и возобновляемости источника электричества.
Производство водорода обычно классифицируется как зеленый, серый, синий, коричневый или белый в зависимости от используемого метода. Зеленый водород, наиболее экологически чистый тип, производится путем электролиза с использованием возобновляемых источников энергии.
Если водород должен внести значительный вклад в смягчение изменения климата, его производство должно основываться на нулевом углеродном электролизе, питаемом из источников возобновляемой энергии. Международное агентство энергетики (МЭА) оценивает, что если к 2050 году будет достигнут нулевой уровень выбросов, общий спрос на водород от промышленности вырастет на 44% к 2030 году, при этом низкоуглеродный водород составит 21 миллион тонн, согласно отчету МЭА от сентября 2022 года о состоянии водородной отрасли. Некоторые успехи уже достигнуты в увеличении производства водорода, с установленной почти 70 МВт мощностью электролиза в 2020 году, что вдвое превышает предыдущий рекорд за год, сообщило МЭА.
3 метода оптимизации производительности электролизера с помощью контроля и измерения
Поскольку производство зеленого водорода является многоступенчатым процессом, требуются точные измерения для обеспечения безопасной и эффективной работы. Стандарт ISO22734:2019 (Генераторы водорода с использованием водного электролиза - Промышленные, коммерческие и жилые применения) устанавливает основные параметры, которые необходимо измерять во время процессов производства водорода, чтобы помочь поддерживать контроль и избежать потенциальных проблем, которые могут повлиять на эффективность или безопасность.
Для производства зеленого водорода сегодня используются три основных метода электролиза.
Алкалиновый электролиз (AEC) - зрелая, коммерческая технология. Для максимизации проводимости электролита, используемого для производства водорода, электролизаторы AEC используют щелочное растворение калия гидроксида (KOH) в концентрации 25-30 вес. %, известное как щелочь. Высокая щелочность электролита означает, что любой прибор, контактирующий с ним, должен быть устойчив к коррозии. С функциями, включая корпус из ПВДФ и электроды из Гастеллоя C, промышленный датчик проводимости идеально подходит для агрессивных приложений, таких как измерение высокой концентрации KOH.
PEM (Протонно-обменный мембранный) электролизер использует чистую воду в качестве электролитического раствора, избегая необходимости восстановления и переработки раствора калия гидроксида, необходимого для алкалиновых электролизеров. Чистота воды играет ключевую роль, с использованием обратного осмоса и ионообменных смол для деионизации воды до проводимости менее 0,1 мСм/м. Разработанный для использования в ультрачистой воде, 2-электродный датчик проводимости может обеспечить поддержание проводимости воды на этом уровне, практически не требуя обслуживания.
Электролизеры твердого оксида (SOE) используют керамику в качестве электролита и имеют низкие материальные затраты. Работая при высоких температурах и обладая высокой степенью электрической эффективности, они используют пар для процесса электролиза и поэтому требуют источника тепла. Используя пар вместо дистиллированной воды для подачи в электролизер, электролизеры SOE имеют другие требования к инструментации по сравнению с AEC и PEM электролизерами, требуя точного измерения расхода, давления и температуры с использованием интеллектуальной инструментации.
Управление реакциями электролиза водорода требует точных газоанализаторов
Процессный контроль процесса электролиза водорода выполняет три основные функции - безопасную эксплуатацию, эффективное преобразование электроэнергии в водород и контроль чистоты газа.
Одной из проблем в процессе электролиза является возможность накопления небольших концентраций кислорода в потоке водорода и водорода в потоке кислорода. Сборка стека электролизера может пропускать газ с одной стороны электролизера на другую. ISO22734 определяет это как неисправное состояние.
Для предотвращения этого необходимы чувствительные газоанализаторы, способные измерять следы водорода в потоке кислорода и наоборот до очень низких уровней.
Сырой водородный газ также содержит пары электролита из электролизера. Фазовый сепаратор с отделением газа и жидкости после электролизера позволяет разделить газ и жидкость. Мониторинг уровня жидкости в фазовом сепараторе критичен, поскольку очень низкий уровень приведет к остановке электролизера и запуску промывки азотом.
Измерение уровня, контроль температуры для измерения водорода
Магнитные уровнемеры, включая магнитные выключатели и датчики, могут использоваться для измерения низких и высоких уровней в фазовом сепараторе. Изолируя устройство от рабочей среды, магнитное измерение уровня предлагает идеальное бесконтактное решение для измерения уровней в фазовом сепараторе, а также устраняет необходимость в дорогостоящих уплотнениях, диафрагмах и процессных соединениях, обычно связанных с технологией точечного уровня. Установочные точки могут быть отрегулированы без изменений в трубопроводе, что приводит к быстрой установке уровневых выключателей, легкой регулировке и простому обслуживанию.
Температурный контроль также критичен. Переменное электроснабжение от возобновляемых источников может вызвать увеличение производства электролизера, увеличивая потребление тока и повышая температуру. Непрерывное измерение температуры стека позволит эффективно контролировать охлаждение для поддержания уровней в безопасных пределах.
Комбинирование платинового термометра с соответствующим передатчиком обеспечит необходимые измерения и решение для запуска предупредительных мер в случае тревоги. При наличии таких функций, как непрерывный мониторинг датчика и самомониторинг, также есть возможность получения дополнительной информации о напряжении питания и проблемах, таких как обрывы проводов или коррозия.
Те же технологии могут быть применены для мониторинга и контроля температуры на стадии деоксидации, где следы кислорода в водороде преобразуются в воду в экзотермической каталитической реакции для создания конечного продукта - водорода. Важно контролировать температуру, чтобы обеспечить контроль над реакцией и поддерживать условия в безопасных пределах.
Измерения давления, подача жидкой воды
Некоторые типы электролизеров разработаны для работы при повышенном давлении. Возможность точного измерения уровней давления особенно важна, если газ должен использоваться под высоким давлением, поскольку подача жидкой воды к электролизеру под повышенным давлением, например, 30 бар, менее затратна и требует гораздо меньше энергии, чем сжатие водорода из атмосферного давления до 30 бар после электролизера. Установка цифрового датчика давления в водяной цепи для непрерывного мониторинга давления может помочь оптимизировать производительность насоса.
Точные и надежные измерения давления важны для обеспечения безопасности процесса путем предотвращения избыточного давления в электролизере и обеспечения свободного потока водорода и кислорода, генерируемых электролизером, без препятствий.
Датчики давления измеряют давление кислорода и водорода. Сертификация TUV NORD для использования в системах управления безопасностью процесса в соответствии со стандартами серии IEC61508 по функциональной безопасности помогает защитить давление в электролизерах.
Еще одной проблемой, которая может повлиять на датчики давления в водородных приложениях, является проблема проникновения водорода. Вызванное проникновением молекул водорода через диафрагму датчика давления и их диффузией в наполнительную жидкость датчика давления, проникновение водорода может повлиять на производительность датчика давления до поломки. Нанесение бинарного нанопокрытия на основе титана обеспечивает наивысшую стойкость к проникновению ионов водорода, позволяя диафрагме датчика давления реагировать на изменяющиеся давления.
Умные измерения добавляют автоматизацию, повышают эффективность управления
Современные умные цифровые технологии измерения обеспечивают большую точность, диапазон и глубину информации, которые могут быть использованы для оценки производительности процесса и состояния измерительных устройств. Функции, такие как удаленное подключение, помогают сделать информацию о диагностике более доступной, позволяя инженерам выполнять действия, такие как отслеживание неисправностей или изменения конфигурации прибора без необходимости присутствия. Большая предсказуемость облегчает проактивное обслуживание, избегая ненужных простоев и минимизируя риск потенциального повреждения ключевых производственных установок или ухудшения качества водорода.
Цифровые приборы предлагают улучшенную простоту использования, что облегчает доступ операторов на любом уровне опыта к ключевым данным об операциях и техническому обслуживанию с использованием привычных технологий, таких как QR-коды.
Автоматизация может способствовать развитию водородной экономики
Развитие источников энергии, таких как зеленый водород, предполагается, что сыграет все более важную роль в достижении целей по нулевым выбросам углерода, с прогнозами, оценивающими, что мировая водородная экономика к 2050 году будет стоить 2,5 триллиона долларов и создаст 30 миллионов рабочих мест. Для максимизации эффективности и безопасности, а также предоставления данных, необходимых для принятия решений, умные приборы почти наверняка сыграют ключевую роль в этом росте.
