Nỗ lực toàn cầu để đạt được khí thải carbon zero từ ngành công nghiệp đang tăng tốc khi một loạt các yếu tố môi trường, kinh tế và địa chính trị đang thúc đẩy sự phát triển của các nguồn năng lượng bền vững như hydrogen xanh. Thế hệ mới nhất của các thiết bị thông minh và bộ phân tích đang giúp tăng cường hiệu suất, an toàn và khả thi của sản xuất hydrogen xanh. Cảm biến, bộ phân tích và bộ truyền tín hiệu giúp đo đạc dẫn điện, nhiệt độ, mức, áp suất và lưu lượng.
Với sự lo ngại kết hợp về biến đổi khí hậu gây rối và an ninh năng lượng, các quốc gia trên khắp thế giới đang tập trung vào việc giảm sản xuất khí thải như carbon dioxide (CO2) và methane và tìm cách chuyển từ nhiên liệu hóa thạch sang các lựa chọn bền vững hơn. Hội nghị COP26 năm ngoái tại Glasgow đã khuyến khích các quốc gia đề ra các mục tiêu giảm khí thải quyết liệt cho năm 2030 với mục tiêu đạt tới khí thải carbon net zero vào giữa thế kỷ. Dự báo ước lượng nền kinh tế hydrogen toàn cầu sẽ có giá trị 2.5 nghìn tỷ đô la và tạo ra 30 triệu việc làm vào năm 2050. Như một cách tối ưu hóa hiệu suất và an toàn và cung cấp dữ liệu cần thiết để hỗ trợ quyết định,
Đạt được những mục tiêu này sẽ đồng nghĩa với việc chuyển từ các nguồn năng lượng truyền thống, như than, dầu và khí đốt, sang các nguồn tái tạo tạo ra ít khí thải và không phụ thuộc vào một số ít quốc gia cho nguồn cung cấp.
Hydrogen cho nhiên liệu bền vững, nguyên liệu cho phân bón, nhựa
Sự quan trọng của nguồn cung cấp năng lượng cho mọi thứ từ giải trí đến sử dụng công nghiệp đòi hỏi các nguồn cung cấp ổn định, đáng tin cậy và có thể mở rộng. Mặc dù các nguồn tái tạo, như gió và năng lượng mặt trời, có thể giúp giảm khí thải, chúng không ổn định, và việc lưu trữ điện sản xuất khó khăn.
Tuy nhiên, mặc dù ảnh hưởng đến môi trường, nhiên liệu hóa thạch vẫn tiếp tục được sử dụng như là nguồn cung cấp năng lượng chính. Điều này là vì chúng cung cấp những lợi ích như mật độ năng lượng cao hơn, có thể được lưu trữ để đáp ứng nhu cầu theo mùa và tiềm năng của chúng để được sử dụng như một nguyên liệu hóa học cho các quy trình công nghiệp phụ thuộc vào cacbon.
Sự phát triển ngày càng có khả năng của hydrogen như một nguồn năng lượng đang thay đổi điều này. Hydrogen mang lại nhiều lợi ích của năng lượng tái tạo và nhiên liệu hóa thạch - nó có thể được sản xuất với lượng khí thải thấp hoặc không, có thể được lưu trữ và vận chuyển, đốt hydrogen cũng có thể cung cấp nhiệt cho nhiều loại ngành công nghiệp và các tòa nhà dân dụ và thương mại. Hydrogen có thể được sử dụng như một nguyên liệu cho các hóa chất, như phân bón, chế biến nhiên liệu và nhựa.
Do đó, nó được coi là một trong những nhiên liệu chính để giúp giảm khí thải trong việc sử dụng năng lượng. Nó có thể được sử dụng như nhiên liệu cho giao thông và các nhà máy điện đỉnh điểm, trong khi đốt hydrogen cũng có thể cung cấp nhiệt cho nhiều loại ngành công nghiệp và các tòa nhà dân dụ và thương mại. Hydrogen có thể được sử dụng như nguyên liệu cho các hóa chất, như phân bón, chế biến nhiên liệu và nhựa.
Sản xuất hydrogen theo phân loại màu sắc, tương lai nền kinh tế hydrogen
Sản xuất hydrogen được hiểu rõ, và một số quy trình có thể được sử dụng. Các phương pháp này khác nhau về nguồn gốc hóa học của hydrogen và tính tái tạo của nguồn điện của chúng.
Sản xuất hydrogen được phân loại chung là xanh, xám, xanh dương, nâu hoặc trắng tùy thuộc vào phương pháp sử dụng. Hydrogen xanh, loại thân thiện với môi trường nhất, được sản xuất bằng quá trình điện phân sử dụng năng lượng tái tạo hoặc hạt nhân.
Nếu hydrogen muốn đóng góp đáng kể vào việc giảm thiểu biến đổi khí hậu, sản xuất hydrogen phải dựa trên quá trình điện phân không khí cacbon được cung cấp bởi các nguồn năng lượng tái tạo. Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) ước tính nếu mục tiêu khí thải net zero được đạt được vào năm 2050, nhu cầu tổng cộng của ngành công nghiệp về hydrogen sẽ tăng 44% vào năm 2030, với hydrogen thấp cacbon chiếm 21 triệu tấn, theo báo cáo theo dõi về hydrogen của IEA tháng 9 năm 2022. Một số tiến triển đã được thực hiện trong việc tăng cường sản xuất hydrogen, với gần 70 MW công suất điện phân được lắp đặt vào năm 2020, gấp đôi kỷ lục của năm trước, IEA cho biết.
3 phương pháp tối ưu hóa hiệu suất điện phân với điều khiển, thiết bị đo lường
Là một quy trình đa giai đoạn, sản xuất hydrogen xanh đòi hỏi các phép đo chính xác để đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả. ISO22734:2019 (Máy phát hydrogen sử dụng điện phân nước - Ứng dụng công nghiệp, thương mại và dân dụ) quy định các tham số chính cần phải được đo trong quy trình sản xuất hydrogen để giúp duy trì kiểm soát và tránh các vấn đề tiềm ẩn có thể ảnh hưởng đến hiệu suất hoặc an toàn.
Để sản xuất hydro xanh, hiện nay có ba phương pháp điện phân chính được sử dụng.
Điện phân kiềm (AEC) là một công nghệ thương mại chín muồi. Để tối đa hóa khả năng dẫn điện của chất điện phân được sử dụng để sản xuất hydro, điện phân AEC sử dụng một dung dịch kiềm 25-30 wt% kali hydroxit (KOH), được gọi là xút. Tính kiềm mạnh của chất điện phân đồng nghĩa với bất kỳ thiết bị nào tiếp xúc với nó phải chống ăn mòn. Với các tính năng bao gồm thân PVDF và điện cực Hastelloy C, một cảm biến dẫn điện công nghiệp rất phù hợp cho các ứng dụng gắt gao như đo lường nồng độ KOH cao.
Ô điện phân PEM (Proton Exchange Membrane) sử dụng nước tinh khiết làm dung dịch điện phân, tránh cần phải thu hồi và tái chế dung dịch kiềm kali hydroxit cần thiết với điện phân kiềm. Độ tinh khiết của nước là yếu tố quan trọng, với quá trình ngược osmô và hạt cation được sử dụng để làm sạch nước đến mức dẫn điện dưới 0,1 mS/m. Thiết kế cho các ứng dụng nước cực kỳ tinh khiết, một tế bào dẫn điện 2 điện cực có thể đảm bảo dẫn điện của nước được duy trì ở mức này, với gần như không yêu cầu bảo dưỡng.
Ô điện phân Oxide Rắn (SOEs) sử dụng gốm làm chất điện phân và có chi phí vật liệu thấp. Hoạt động ở nhiệt độ cao và với mức độ hiệu suất điện cao, chúng sử dụng hơi nước cho quá trình điện phân và do đó cần một nguồn nhiệt. Sử dụng hơi nước thay vì nước thêm để cung cấp cho ô điện phân, điện phân SOE đòi hỏi các yêu cầu về thiết bị đo lường chính xác của dòng chảy, áp suất và nhiệt độ với các thiết bị thông minh.
Điều khiển các phản ứng điện phân hydro yêu cầu máy phân tích khí chính xác
Quản lý quá trình điện phân hydro thực hiện ba chức năng chính - vận hành an toàn, chuyển đổi năng lượng hiệu quả thành hydro và kiểm soát tinh khiết khí.
Một thách thức trong quá trình điện phân là khả năng tạo ra nồng độ nhỏ của oxy trong dòng hydro và hydro trong dòng oxy. Bộ lắp ráp của điện phân có thể rò rỉ khí từ một bên của ô điện phân sang bên kia. ISO22734 xác định điều này là điều kiện lỗi.
Để tránh điều này, điện phân hydro yêu cầu máy phân tích khí nhạy có thể đo lường các dấu vết của hydro trong dòng oxy và ngược lại ở mức rất thấp.
Khí hydro thô cũng chứa hơi của chất điện phân từ ô điện phân. Một bộ phân tách pha knock-down cho phép tách khí và chất lỏng sau ô điện phân. Theo dõi mức chất lỏng trong bộ phân tách pha knock-down là rất quan trọng vì mức rất thấp sẽ làm tắt ô điện phân và kích hoạt xả khí nitơ.
Đo mức, kiểm soát nhiệt độ cho các đo lường hydro
Các thiết bị đo mức từ tính, bao gồm công tắc và cảm biến từ tính, có thể được sử dụng để đo mức thấp và cao trong bộ phân tách pha. Bằng cách cách ly thiết bị khỏi chất lỏng trong quá trình, đo mức từ tính cung cấp một giải pháp không tiếp xúc lý tưởng để đo mức trong bộ phân tách pha, đồng thời loại bỏ nhu cầu cho các đồng hồ cảm ứng mức, màng chắn, và kết nối quy trình thường gặp liên quan đến công nghệ công tắc mức điểm. Các điểm thiết lập có thể được điều chỉnh mà không cần thay đổi ống dẫn quy trình, dẫn đến công tắc mức có thể triển khai nhanh chóng, dễ điều chỉnh và dễ bảo trì.
Kiểm soát nhiệt độ cũng rất quan trọng. Cung cấp điện biến đổi từ các nguồn năng lượng tái tạo có thể làm tăng sản xuất điện phân, kéo nhiều dòng điện và làm tăng nhiệt độ. Liên tục đo nhiệt độ của bộ lọc sẽ giúp kiểm soát hiệu quả quá trình làm mát để duy trì mức độ an toàn.
Kết hợp một cảm biến nhiệt độ điện trở bạch kim với một bộ truyền thông phù hợp sẽ cung cấp các đo lường cần thiết và một giải pháp để kích hoạt các biện pháp phòng ngừa trong trường hợp có cảnh báo. Khi tính năng như giám sát liên tục của cảm biến và tự giám sát cũng được bao gồm, có thêm khả năng thu thập thông tin bổ sung về điện áp cung cấp và các vấn đề như đứt dây hoặc ăn mòn.
Các loại điện phân được thiết kế để hoạt động ở áp suất cao. Khả năng đo lường áp suất một cách chính xác đặc biệt quan trọng nếu khí được sử dụng ở áp suất cao, vì bơm nước dạng lỏng đến điện phân để áp suất cao như 30 bar ít tốn kém hơn và ít tốn năng lượng hơn so với nén khí hydro từ áp suất khí quyển lên 30 bar sau điện phân. Việc lắp đặt một bộ truyền áp suất kỹ thuật số trong mạch nước để liên tục giám sát áp suất có thể giúp tối ưu hóa hiệu suất bơm.
Đo lường áp suất, cung cấp nước dạng lỏng
Một số loại điện phân được thiết kế để hoạt động ở áp suất cao. Khả năng đo lường áp suất một cách chính xác đặc biệt quan trọng nếu khí được sử dụng ở áp suất cao, vì bơm nước dạng lỏng đến điện phân để áp suất cao như 30 bar ít tốn kém hơn và ít tốn năng lượng hơn so với nén khí hydro từ áp suất khí quyển lên 30 bar sau điện phân. Việc lắp đặt một bộ truyền áp suất kỹ thuật số trong mạch nước để liên tục giám sát áp suất có thể giúp tối ưu hóa hiệu suất bơm.
Việc đo lường áp suất chính xác và đáng tin cậy là quan trọng để duy trì an toàn quy trình bằng cách ngăn chặn quá áp điện phân và đảm bảo khí hydro và oxi được tạo ra bởi điện phân có thể lưu thông mà không bị cản trở.
Các công nghệ tương tự có thể được áp dụng để giám sát và điều khiển nhiệt độ trong giai đoạn de-oxo, nơi các dấu vết của oxi trong hydro được chuyển đổi thành nước trong một phản ứng xúc tác phát nhiệt để tạo ra sản phẩm hydro cuối cùng. Việc giám sát nhiệt độ là cần thiết để đảm bảo phản ứng luôn được kiểm soát và điều kiện luôn nằm trong giới hạn an toàn.Các bộ truyền áp suất đo lường áp suất của khí oxi và hydro. Chứng nhận bởi TUV NORD để sử dụng trong các hệ thống kiểm soát an toàn quy trình theo chuẩn IEC61508 về an toàn chức năng giúp bảo vệ điện phân áp suất.
Một vấn đề khác có thể ảnh hưởng đến bộ truyền áp suất trong ứng dụng hydro là vấn đề về thẩm thấu hydro. Do phân tử hydro đi qua màng chắn của bộ truyền áp suất và khuếch tán vào chất lỏng điền của bộ truyền áp suất, thẩm thấu hydro có thể làm suy giảm hiệu suất bộ truyền cho đến khi hỏng hóc xảy ra. Sử dụng một lớp phủ nano hợp kim titan cung cấp khả năng chống thẩm thấu ion hydro cao nhất, đồng thời cho phép màng chắn của bộ truyền áp suất phản ứng với các điều kiện áp suất thay đổi.
Đo lường thông minh thêm hiệu quả tự động hóa, kiểm soát
Công nghệ đo kỹ thuật số thông minh ngày nay cung cấp độ chính xác, phạm vi và chiều sâu thông tin lớn hơn có thể được sử dụng để đánh giá hiệu suất quy trình và trạng thái của các thiết bị đo lường. Các tính năng như kết nối từ xa giúp làm cho thông tin chẩn đoán trở nên dễ sử dụng hơn, cho phép kỹ sư thực hiện các hành động như theo dõi lỗi hoặc thay đổi cấu hình của một thiết bị mà không cần phải có mặt. Tính dự đoán cao hơn giúp tối ưu hóa bảo dưỡng tiên phong, tránh thời gian ngừng hoạt động không cần thiết và giảm thiểu nguy cơ hỏng hóc tiềm ẩn cho các nhà máy quy trình chính hoặc chất lượng hydro bị ảnh hưởng.
Các thiết bị kỹ thuật số cung cấp tính đơn giản hóa nâng cao, giúp cho các nhà điều hành ở mọi cấp độ kinh nghiệm dễ dàng truy cập hoặc truyền thông dữ liệu vận hành và bảo dưỡng quan trọng bằng các công nghệ quen thuộc, như mã QR.
Tự động hóa có thể giúp phát triển nền kinh tế hydro
Sự phát triển của các nguồn năng lượng như hydro xanh được dự đoán sẽ đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong việc đạt được mục tiêu carbon net zero, với dự báo ước lượng rằng nền kinh tế hydro toàn cầu sẽ có giá trị 2,5 nghìn tỷ đô la và tạo ra 30 triệu việc làm vào năm 2050. Như một cách tối đa hóa hiệu quả và an toàn và cung cấp dữ liệu cần thiết để hỗ trợ quyết định, các thiết bị thông minh hầu như chắc chắn sẽ đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển này.
