在各種來自環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和地緣政治因素的推動下，綠色氫能等可持續(xù)能源的發(fā)展正在加速，不斷推動著全球?qū)崿F(xiàn)工業(yè)零碳排放的進(jìn)程。最新一代的智能儀表和分析儀正在幫助提高綠色氫氣生產(chǎn)的效率、安全性和可行性。
由于對破壞性氣候變化和能源安全的擔(dān)憂，世界各國正專注于減少二氧化碳和甲烷等溫室氣體的產(chǎn)生，并尋找從化石燃料轉(zhuǎn)向更可持續(xù)的替代品的方法。去年在格拉斯舉行的COP26峰會，鼓勵各國制定雄心勃勃的2030年減排目標(biāo)，以期在本世紀(jì)中葉實現(xiàn)凈零碳排放。
相關(guān)預(yù)測顯示，到2050年，全球氫能經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值將達(dá)到2.5萬億美元，并將創(chuàng)造3000萬個就業(yè)機會。作為最大限度提高效率和安全性并提供決策所需數(shù)據(jù)的一種方式，實現(xiàn)這些目標(biāo)意味著從煤炭、石油和天然氣等傳統(tǒng)能源，轉(zhuǎn)向產(chǎn)生最少排放且不依賴于少數(shù)幾個國家供應(yīng)的可再生能源。
1、用于可持續(xù)燃料的綠色氫氣
從消費到工業(yè)應(yīng)用，在能源供應(yīng)中最關(guān)鍵的是需要一致、可靠和可擴(kuò)展的能源。盡管風(fēng)能和太陽能等可再生能源有助于減少排放，但它們是間歇性的，很難儲存生產(chǎn)的電力。
因此，盡管化石燃料對環(huán)境有不良影響，但它們?nèi)匀皇悄茉垂?yīng)的支柱。這是因為它們具有更高的能量密度，可以儲存以滿足季節(jié)性需求，此外，它們還能為一些工業(yè)過程提供化學(xué)原料。
不過，隨著氫氣作為一種能源的可行性不斷提高，這一現(xiàn)狀正在改變。氫氣提供了可再生能源和化石燃料的許多優(yōu)勢——它可以以低排放或零排放生產(chǎn)，可以儲存和運輸，清潔燃燒，并可進(jìn)一步用于化學(xué)加工或生產(chǎn)。
因此，它被認(rèn)為是幫助脫碳能源應(yīng)用的關(guān)鍵燃料之一。它可以用作運輸和調(diào)峰電廠的燃料，燃燒氫氣也可以為多種類型的工業(yè)、住宅和商業(yè)建筑供熱，此外，氫氣還可以作為化肥、燃料精煉和塑料等化學(xué)產(chǎn)品的原料。
眾所周知，可以使用多種工藝來制氫。這些工藝在氫的化學(xué)來源和電力來源的可再生性方面各不相同。按生產(chǎn)方法的不同，氫氣生產(chǎn)通常分為綠色、灰色、藍(lán)色、棕色或白色。綠氫是最環(huán)保的類型，一般使用可再生能源或核能電解生產(chǎn)。
如果氫氣要為緩解氣候變化做出重大貢獻(xiàn)，其生產(chǎn)必須是基于可再生能源提供的零碳電解。根據(jù)國際能源署2022年9月發(fā)布的一份氫氣跟蹤報告，如果到2050年實現(xiàn)凈零排放，到2030年工業(yè)對氫氣的總需求將增長44%，其中低碳?xì)錃鈱⑦_(dá)到2100萬噸。國際能源署表示，在增加氫氣產(chǎn)量方面正在取得一些進(jìn)展，2020年安裝了近70兆瓦的電解產(chǎn)能，比前一年翻了一番。
▲圖1：智能工藝儀表助力綠色氫氣生產(chǎn)。ABB的AC211 2-電極導(dǎo)電裝置專為超純水應(yīng)用而設(shè)計，可確保在幾乎無需維護(hù)的情況下保持水的導(dǎo)電性。氫氣電解槽需要敏感的氣體分析儀，它們可以測量氧氣流中的微量氫氣。
2、通過控制和儀表優(yōu)化電解槽性能
作為一個多階段工藝，綠色氫氣生產(chǎn)需要精確的測量，以確保安全高效的運行。ISO22734:2019（用水電解處理的氫發(fā)生器——工業(yè)、商業(yè)和住宅應(yīng)用）規(guī)定了氫氣生產(chǎn)過程中需要測量的主要參數(shù)，以保持控制并避免可能影響效率或安全的潛在問題。
為了生產(chǎn)綠色氫氣，目前使用的電解方法主要有三種：
■ 堿性電解（AEC）是一種成熟的商業(yè)技術(shù)。為了最大限度地提高用于生產(chǎn)氫氣的電解質(zhì)的導(dǎo)電性，AEC電解槽使用含25-30wt%氫氧化鉀（KOH）的堿性溶液，即堿液。電解質(zhì)的高堿性意味著任何與之接觸的儀表都必須是耐腐蝕的。工業(yè)電導(dǎo)率傳感器具有PVDF主體和Hastelloy C電極，非常適合高濃度KOH測量等嚴(yán)苛場合的應(yīng)用。
■ 質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽，使用純水作為電解質(zhì)溶液，避免了回收和再循環(huán)堿性電解槽所需的氫氧化鉀電解質(zhì)溶液。水的純度是關(guān)鍵，使用反滲透和離子交換樹脂將水去離子至小于0.1mS/m的電導(dǎo)率。專為超純水應(yīng)用而設(shè)計的2電極電導(dǎo)率電池，可以確保水的電導(dǎo)率保持在這個水平，幾乎不需要維護(hù)。
■ 固體氧化物電解池（SOE），使用陶瓷作為電解質(zhì)，材料成本低。它們在高溫下運行，電氣效率高，電解過程使用蒸汽，因此需要熱源。SOE電解槽使用蒸汽而不是補給水來供應(yīng)電解槽，需要使用智能儀表準(zhǔn)確測量流量、壓力和溫度，這與AEC和PEM電解槽對儀表的要求有所不同。
3、控制氫電解反應(yīng)需要精確的氣體分析儀
電解氫工藝的過程控制包含三個主要功能——安全操作、高效的電氫轉(zhuǎn)換和氣體純度控制。在電解過程中面臨的一個挑戰(zhàn)是，在氫氣流中積聚小濃度的氧氣以及在氧氣流中積聚氫氣的可能性。電解槽堆疊組件可能將氣體從電解槽的一側(cè)泄漏到另一側(cè)（ISO22734將其定義為故障狀態(tài)）。
▲圖2：ABB H-Shield鈦基二元納米涂層具有緊密的分子結(jié)構(gòu)和最高的抗氫離子滲透性，同時使壓力變送器隔膜能夠響應(yīng)不斷變化的壓力。氧氣和氫氣的壓力測量可以通過ABB的266GST和PGS100系列壓力變送器來實現(xiàn)。
為了避免這種情況的發(fā)生，氫電解槽需要靈敏的氣體分析儀，該分析儀可以測量氧氣流中的微量氫，反之亦然，可以測量非常低的含量。
原料氫氣還含有來自電解槽的電解質(zhì)蒸汽。相分離器允許在電解槽之后進(jìn)行氣體和液體分離。監(jiān)測分解相分離器中的液位至關(guān)重要，因為液位過低會關(guān)閉電解槽并觸發(fā)氮氣吹掃。
4、用于氫氣測量的液位測量和溫度控制
磁性液位計（包括磁性開關(guān)和傳感器）可用于測量相分離器中的低液位和高液位。通過將設(shè)備與工藝介質(zhì)隔離，磁性液位測量為測量分相器中的液位提供了理想的非接觸式解決方案，同時也消除了對通常與點液位開關(guān)技術(shù)相關(guān)的昂貴的密封、隔膜和工藝連接的需求。設(shè)定值點可以在不改變工藝管道的情況下進(jìn)行調(diào)整，這樣就可以使用快速部署、易于調(diào)整和維護(hù)的液位開關(guān)。
溫度控制也是至關(guān)重要的。可再生能源的可變電力供應(yīng)可能會導(dǎo)致電解槽增加產(chǎn)量，消耗更多電流并提高溫度。持續(xù)測量電解槽的溫度，將能夠有效控制冷卻，以將溫度保持在安全范圍內(nèi)。
將鉑電阻溫度計與適當(dāng)?shù)淖兯推飨嘟Y(jié)合，可以提供所需的測量結(jié)果，并在報警發(fā)生時，觸發(fā)預(yù)防措施中的解決方案。如果還包括連續(xù)傳感器監(jiān)測和自我監(jiān)測等功能，則有可能收集有關(guān)電源電壓和電線斷裂或腐蝕等問題的額外信息。
同樣的技術(shù)可以應(yīng)用于監(jiān)測和控制脫氧階段的溫度，在脫氧階段，氫氣中的微量氧氣在放熱催化反應(yīng)中轉(zhuǎn)化為水，從而產(chǎn)生最終的氫氣產(chǎn)物。監(jiān)測溫度以確保反應(yīng)受控，并且工況保持在安全限度內(nèi)至關(guān)重要。
5、壓力測量和泵送液態(tài)水供應(yīng)
某些類型的電解槽設(shè)計是在高壓下運行。如果要在高壓下使用氣體，精確測量壓力水平的功能就特別重要，因為將液態(tài)水泵送到電解槽中，其壓力會升高（如30巴），比在電解槽之后將氫氣從大氣壓壓縮到30巴成本更低，能耗也低得多。在水回路中安裝數(shù)字壓力變送器，以連續(xù)監(jiān)測壓力，有助于優(yōu)化泵送性能。
準(zhǔn)確可靠的壓力測量對于保持過程安全非常重要，因為它可以防止電解槽過壓，并確保電解槽產(chǎn)生的氫氣和氧氣可以暢通無阻地流走。
壓力變送器可測量氧氣和氫氣的壓力。TÜV NORD根據(jù)IEC61508系列功能安全標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)證用于過程安全的控制系統(tǒng)，有助于保護(hù)加壓電解槽。
在氫氣應(yīng)用中影響壓力變送器的另一個問題是氫氣滲透問題。由于氫氣分子通過壓力變送器隔膜并擴(kuò)散到壓力變送器的填充液中，氫氣滲透會損害變送器的性能，直到發(fā)生故障。加入鈦基二元納米涂層可提供最高的抗氫離子滲透能力，同時使壓力變送器隔膜能夠響應(yīng)不斷變化的壓力條件。
6、智能測量提升自動化和控制效率
當(dāng)今的智能數(shù)字測量技術(shù)提供了更高的準(zhǔn)確性、范圍和深度信息，可用于評估工藝性能和測量設(shè)備的狀態(tài)。遠(yuǎn)程連接等功能有助于提高診斷信息的可用性，使工程師能夠在不在現(xiàn)場的情況下跟蹤故障或更改儀表配置等操作。更強大的可預(yù)測性有助于主動維護(hù)，避免不必要的停機時間，并將關(guān)鍵工藝裝置的潛在損壞或氫氣質(zhì)量受損的風(fēng)險降至最低。
數(shù)字儀表的操作更簡單，使任何經(jīng)驗水平的操作員都能更容易使用熟悉的技術(shù)訪問或傳輸與操作和維護(hù)相關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
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