الأدوات الذكية تساعد في إنتاج الهيدروجين الأخضر

الجهود العالمية لتحقيق انبعاثات الكربون صفر من الصناعة تكتسب زخمًا مع تقدم مجموعة متنوعة من العوامل البيئية والاقتصادية والجيوسياسية التي تدفع بتطوير مصادر الطاقة المستدامة مثل الهيدروجين الأخضر. تساعد أحدث جيل من الأجهزة الذكية والمحللات على تعزيز كفاءة وسلامة وجدوى إنتاج الهيدروجين الأخضر. تساعد أجهزة الاستشعار والمحللات والمرسلات في قياس التوصيلية ودرجة الحرارة والمستوى والضغط والتدفق.

مع القلق المشترك بشأن التغيرات المناخية المُقلقة وأمن الطاقة، تركز الدول في جميع أنحاء العالم على تقليل إنتاج الغازات الدفيئة مثل ثاني أكسيد الكربون (CO2) والميثان وإيجاد طرق للانتقال من الوقود الأحفوري إلى بدائل أكثر استدامة. شجعت قمة COP26 في غلاسكو العام الماضي الدول على وضع أهداف طموحة لتقليل الانبعاثات بنسبة 2030 بهدف تحقيق صافي صفر لانبعاثات الكربون بحلول منتصف القرن. تقديرات تشير إلى أن اقتصاد الهيدروجين العالمي سيبلغ قيمة 2.5 تريليون دولار وسيخلق 30 مليون وظيفة بحلول عام 2050. كوسيلة لزيادة الكفاءة والسلامة وتوفير البيانات اللازمة لإتخاذ القرارات،

تحقيق هذه الأهداف سيعني الانتقال من مصادر الطاقة التقليدية، مثل الفحم والنفط والغاز، إلى مصادر متجددة تنتج انبعاثات ضئيلة ولا تعتمد على عدد قليل من الدول للإمداد.

الهيدروجين كوقود مستدام، ومادة خام للأسمدة والبلاستيك

أهمية توفير الطاقة لكل شيء، بدءًا من الترفيه إلى الاستخدام الصناعي، تتطلب مصادر تكون متسقة وموثوقة وقابلة للتوسيع. على الرغم من أن مصادر الطاقة المتجددة، مثل الرياح والطاقة الشمسية، يمكن أن تساعد في تقليل الانبعاثات، إلا أنها متقطعة، ومن الصعب تخزين الكهرباء المنتجة.

ومع ذلك، على الرغم من تأثيرها البيئي، استمرت الوقود الأحفوري في أن تُستخدم كمصدر رئيسي لإمدادات الطاقة. يرجع ذلك إلى أنها توفر مزايا مثل كثافة الطاقة العالية، ويمكن تخزينها لتلبية الطلب الموسمي وإمكانية استخدامها كمادة خام كيميائية للعمليات الصناعية التي تعتمد على الكربون.

تغيرت قابلية الهيدروجين كمصدر للطاقة هذا. يقدم الهيدروجين العديد من مزايا الطاقة المتجددة والوقود الأحفوري - يمكن إنتاجه بانبعاثات منخفضة أو صفرية، ويمكن تخزينه ونقله، وهو نظيف عند الاحتراق ويتفاعل للاستخدام في معالجة الكيماويات أو الإنتاج الكيميائي الأخر.

وعلى هذا النحو، يُعتبر واحدًا من الوقود الرئيسية للمساعدة في إزالة الكربون من استخدام الطاقة. يمكن استخدامه كوقود للنقل ومحطات توليد الكهرباء القمة، بينما يمكن أن يوفر احتراق الهيدروجين أيضًا حرارة لأنواع كثيرة من الصناعات والمباني السكنية والتجارية. يمكن للهيدروجين أن يعمل كمادة خام للمواد الكيميائية، مثل الأسمدة وتكرير الوقود والبلاستيك.

إنتاج الهيدروجين حسب التصنيفات اللونية، مستقبل اقتصاد الهيدروجين

إن إنتاج الهيدروجين مفهوم جيدًا، ويمكن استخدام عدد من العمليات. تختلف هذه العمليات في الأصل الكيميائي للهيدروجين وتجديد قدرتها الكهربائية.

يتم تصنيف إنتاج الهيدروجين عمومًا كأخضر، رمادي، أزرق، بني، أو أبيض اعتمادًا على الطريقة المستخدمة. الهيدروجين الأخضر، النوع الأكثر صديقًا للبيئة، يتم إنتاجه بواسطة التحليل الكهربائي باستخدام مصادر الطاقة المتجددة أو الطاقة النووية.

إذا كان الهيدروجين سيساهم بشكل كبير في التخفيف من تغير المناخ، يجب أن يكون إنتاجه مبنيًا على تحليل الكربون الصفري بتغذية من مصادر الطاقة المتجددة. تقدر الوكالة الدولية للطاقة (IEA) أنه إذا تم تحقيق صافي الانبعاثات الصفرية بحلول عام 2050، سيكون الطلب الإجمالي على الهيدروجين من الصناعة قد توسع بنسبة 44% بحلول عام 2030، مع الهيدروجين ذو الكربون المنخفض يشكل 21 مليون طن، وفقًا لتقرير تتبع الهيدروجين الصادر عن الوكالة الدولية للطاقة في سبتمبر 2022. يتم تحقيق بعض التقدم في زيادة إنتاج الهيدروجين، حيث تم تثبيت قدرة تحليل الكهرباء بلغت ما يقرب من 70 ميجاواط في عام 2020، مما يضاعف الرقم القياسي السابق للعام السابق، وفقًا لما ذكرته الوكالة الدولية للطاقة.

3 طرق لتحسين أداء المحلل الكهربائي بالتحكم والأدوات

كعملية متعددة المراحل، يتطلب إنتاج الهيدروجين الأخضر قياسات دقيقة لضمان التشغيل الآمن والفعال. تحدد ISO22734:2019 (مولدات الهيدروجين باستخدام تحليل الماء - التطبيقات الصناعية والتجارية والسكنية) المعلمات الرئيسية التي يجب قياسها أثناء عمليات إنتاج الهيدروجين للمساعدة في الحفاظ على السيطرة وتجنب المشاكل المحتملة التي يمكن أن تؤثر على الكفاءة أو السلامة.

لإنتاج الهيدروجين الأخضر، هناك ثلاث طرق رئيسية لتحليل الماء في الاستخدام اليوم.

تحليل الماء القلوي (AEC) هو تكنولوجيا ناضجة وتجارية. لتعظيم توصيلية الكهرليت المستخدمة لإنتاج الهيدروجين، تستخدم خلايا تحليل الماء القلوي محلول قلوي من 25-30 وزن٪ هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH)، المعروف باسم القلوي. الطبيعة القلوية العالية للكهرليت يعني أن أي جهاز يأتي في اتصال معه يجب أن يكون مقاومًا للتآكل. مع ميزات تشمل جسم PVDF وأقطاب Hastelloy C، يعتبر جهاز قياس التوصيلية الصناعي مثاليًا للتطبيقات العدوانية مثل قياس كثافة KOH عالية التركيز.
يستخدم تحليل الماء بواسطة الغشاء المبادل للبروتونات (PEM) ماء نقي كمحلول كهرليتي، مما يتجنب الحاجة إلى استعادة وإعادة تدوير محلول الكهرليت الهيدروكسيد البوتاسيوم الذي يحتاجه تحليل الماء القلوي. نقاء الماء أمر أساسي، حيث يتم استخدام عمليات التناضح العكسي والراتنجات المبادلة للأيون لتنقية الماء إلى توصيلية أقل من 0.1 ميكروسيمنز/سم. مصممة للاستخدام في تطبيقات المياه فائقة النقاء، يمكن لخلية التوصيلية ذات القطبين 2 ضمان الحفاظ على توصيلية الماء على هذا المستوى، مع عدم وجود حاجة تقريبًا للصيانة.
خلايا تحليل الأكسيد الصلب (SOEs) تستخدم الخزف ككهرليت وتتمتع بتكاليف مواد منخفضة. تعمل عند درجات حرارة عالية وبدرجة عالية من الكفاءة الكهربائية، وتستخدم البخار لعملية تحليل الماء وبالتالي تتطلب مصدر حرارة. باستخدام البخار بدلاً من مياه الشرب لتزويد جهاز تحليل الماء، تتطلب خلايا تحليل الأكسيد الصلب متطلبات أدوات قياس مختلفة عن تحليل الماء القلوي وتحليل الماء بالغشاء المبادل للبروتونات، مما يتطلب قياسًا دقيقًا للتدفق والضغط ودرجة الحرارة بأدوات قياس ذكية.

يتطلب التحكم في تفاعلات تحليل الماء إلى هيدروجين محللات غاز دقيقة

مراقبة عملية تحكم في عملية تحليل الماء إلى هيدروجين تقوم بأداء ثلاث وظائف رئيسية - تشغيل آمن، وتحويل الطاقة بكفاءة إلى هيدروجين، ومراقبة نقاء الغاز.

تحدي واحد في عملية تحليل الماء إلى هيدروجين هو احتمال تراكم تراكيز صغيرة من الأكسجين في تيار الهيدروجين وتراكم الهيدروجين في تيار الأكسجين. يمكن لتجميع خلايا تحليل الماء أن يتسرب الغاز من جانب خلية تحليل الماء إلى الجانب الآخر. تعرف ISO22734 هذا كحالة خلل.

لتجنب ذلك، تتطلب تحليلات الغاز الحساسة التي يمكنها قياس آثار الهيدروجين في تيار الأكسجين والعكس بدقة عالية.

الغاز الهيدروجيني الخام يحتوي أيضًا على بخارات الكهرليت من خلية تحليل الماء. يسمح فاصل المرحلة بالفصل بين الغاز والسائل بعد خلية تحليل الماء. من الحيوي مراقبة مستوى السائل في فاصل المرحلة، حيث أن مستوى منخفض جدًا سيؤدي إلى إيقاف تشغيل خلية تحليل الماء وتشغيل تنظيف بالنيتروجين.

قياس المستوى، التحكم في درجة الحرارة لقياسات الهيدروجين

يمكن استخدام أجهزة قياس المستوى المغناطيسية، بما في ذلك المفاتيح والمستشعرات المغناطيسية، لقياس المستويات المنخفضة والعالية في فاصل المرحلة. من خلال عزل الجهاز عن وسط العملية، تقدم قياس المستوى المغناطيسي حلاً غير تلامسي مثاليًا لقياس المستويات في فاصل المرحلة، مع القضاء على الحاجة إلى ختمات باهظة الثمن وأغشية وصلات العملية المرتبطة عادة بتقنية مفتاح المستوى النقطي. يمكن ضبط نقاط الضبط دون أي تغييرات في أنابيب العملية، مما يؤدي إلى مفاتيح مستوى يتم نشرها بسرعة ويمكن تعديلها بسهولة وسهلة الصيانة.

التحكم في درجة الحرارة أمر أيضًا حاسمًا. قد يؤدي التزويد المتغير بالكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة إلى زيادة إنتاج تحليل الماء، مما يجذب مزيدًا من التيار ويرفع درجة الحرارة. سيتيح قياس درجة حرارة الخلية بشكل مستمر التحكم الفعال في التبريد للحفاظ على المستويات ضمن حدود آمنة.

جمع مقياس مقاومة البلاتين مع جهاز إرسال مناسب سيوفر القياسات المطلوبة وحلاً لتشغيل تدابير وقائية في حالة حدوث إنذار. حيث يتم تضمين ميزات مثل مراقبة الاستشعار المستمرة والمراقبة الذاتية، هناك إمكانية إضافية لجمع معلومات إضافية حول جهد التزويد وقضايا مثل كسر الأسلاك أو التآكل.

يمكن تطبيق نفس التقنيات لمراقبة والتحكم في درجات الحرارة في مرحلة إزالة الأكسجين، حيث يتم تحويل آثار الأكسجين في الهيدروجين إلى ماء في تفاعل حفزي حراري لإنتاج المنتج الهيدروجيني النهائي. من الضروري مراقبة درجة الحرارة لضمان بقاء التفاعل تحت السيطرة وبقاء الظروف ضمن حدود آمنة.

قياس الضغط، ضخ إمدادات المياه السائلة

بعض أنواع جهاز تحليل الماء مصممة للعمل عند ضغط مرتفع. القدرة على قياس مستويات الضغط بدقة مهمة بشكل خاص إذا كان من المقرر استخدام الغاز بضغط عالٍ، حيث أن ضخ إمدادات المياه السائلة إلى جهاز تحليل الماء بضغط مرتفع مثل 30 بار يكون أقل تكلفة وأقل استهلاكًا للطاقة بكثير من ضغط الهيدروجين من الضغط الجوي إلى 30 بار بعد جهاز تحليل الماء. يمكن أن يساعد تثبيت محول الضغط الرقمي في الدائرة المائية على مراقبة الضغط بشكل مستمر في تحسين أداء الضخ.

قياس الضغط الدقيق والموثوق به مهم في الحفاظ على سلامة العملية من خلال منع زيادة الضغط في جهاز تحليل الماء الكهربائي وضمان أن غازات الهيدروجين والأكسجين التي تم إنتاجها بواسطة جهاز تحليل الماء يمكن أن تتدفق بعيداً دون عوائق.

يقيس محولات الضغط ضغط غازات الأكسجين والهيدروجين. يساعد الحصول على شهادة من TUV NORD للاستخدام في أنظمة التحكم في سلامة العملية وفقًا لمعايير IEC61508 في حماية جهاز تحليل الماء ذو الضغط.

مشكلة أخرى قد تؤثر على محولات الضغط في تطبيقات الهيدروجين هي مشكلة اختراق الهيدروجين. يمكن أن يؤدي تسرب جزيئات الهيدروجين عبر غشاء محول الضغط وتفاعلها في سائل ملء محول الضغط إلى تقليل أداء المحول حتى يحدث الفشل. يوفر وضع طلاء نانوي ثنائي قائم على التيتانيوم أعلى مقاومة ضد اختراق أيون الهيدروجين، مع تمكين غشاء محول الضغط من الاستجابة لتغييرات الضغط.

تضيف التقنيات الذكية للقياس الأتمتة وكفاءة التحكم

توفر تقنيات القياس الرقمية الذكية الحديثة دقة أكبر ونطاقًا وعمقًا من المعلومات التي يمكن استخدامها لتقييم أداء العملية وحالة أجهزة القياس. تساعد ميزات مثل الاتصال عن بعد في جعل معلومات التشخيص أكثر قابلية للاستخدام، مما يمكن المهندسين من القيام بإجراءات مثل تتبع الأخطاء أو التغييرات في تكوين الجهاز دون الحاجة إلى التواجد. تسهل التنبؤات الأكبر الصيانة الوقائية، مما يجنب التوقف غير الضروري ويقلل من خطر الأضرار المحتملة لمصنع العملية الرئيسي أو جودة الهيدروجين المتضررة.

تقدم الأدوات الرقمية بساطة محسنة، مما يجعل من الأسهل بالنسبة للمشغلين على جميع مستويات الخبرة الوصول إلى بيانات التشغيل والصيانة الرئيسية أو إعادة توجيهها باستخدام تقنيات مألوفة، مثل رموز الاستجابة السريعة.

يمكن أن تساعد الأتمتة في تطوير اقتصاد الهيدروجين

من المتوقع أن تلعب تطوير مصادر الطاقة مثل الهيدروجين الأخضر دورًا متزايدًا في تحقيق أهداف الكربون الصافي، مع تقديرات تشير إلى أن الاقتصاد العالمي للهيدروجين سيبلغ قيمة 2.5 تريليون دولار وسيخلق 30 مليون وظيفة بحلول عام 2050. كوسيلة لتحقيق أقصى كفاءة وسلامة وتوفير البيانات اللازمة لاتخاذ القرارات، من المؤكد تقريبًا أن الأدوات الذكية مُعدة للعب دور رئيسي في هذا النمو.