智能仪器有助于绿色制氢，可持续发展

氢和仪器洞察

• 氢可以用作可持续燃料和肥料、塑料的原料，绿色制氢方法对实现净零碳排放目标贡献最大。
• 有助于控制氢电解生产过程的仪器包括气体和电导率分析仪、液位传感器、温度传感器和压力传感器。
• 智能仪表增加了自动化和控制效率。

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随着各种环境、经济和地缘政治因素推动绿色氢等可持续能源的发展，全球实现工业零碳排放的努力正在加快步伐。最新一代的智能仪器和分析仪正在帮助提高绿色氢气生产的效率、安全性和可行性。传感器、分析仪和变送器有助于测量电导率、温度、液位、压力和流量。

由于对破坏性气候变化和能源安全的双重担忧，全球各国正致力于减少二氧化碳等温室气体的排放₂)和甲烷，并寻找从化石燃料转向更可持续的替代品的方法。去年在格拉斯哥举行的COP26峰会鼓励各国制定雄心勃勃的2030年减排目标，目标是到本世纪中叶实现净零碳排放。据预测，到2050年，全球氢能经济将价值2.5万亿美元，创造3000万个就业岗位。为了最大限度地提高效率和安全性，并提供决策所需的数据，

实现这些目标将意味着从煤炭、石油和天然气等传统能源转向排放最少且不依赖少数国家供应的可再生能源。

氢是可持续燃料，是肥料和塑料的原料

从休闲到工业用途的所有能源供应都至关重要，需要稳定可靠的来源和可伸缩的。虽然风能和太阳能等可再生能源有助于减少排放，但它们是间歇性的，而且很难储存产生的电力。

然而，尽管对环境有影响，化石燃料仍继续被用作能源供应的主要来源。这是因为它们具有更高的能量密度等优点，可以储存以满足季节性需求，并且有可能用作依赖碳的工业过程的化学原料。

氢作为一种能源日益增长的可行性正在改变这一点。氢具有可再生能源和化石燃料的许多优点——它可以在低排放或零排放的情况下生产，可以储存和运输，是清洁燃烧生产，并且在进一步的化学加工或生产中具有反应性。

因此，它被认为是帮助能源使用脱碳的关键燃料之一。它可以用作运输和电力调峰厂的燃料，而燃烧氢也可以为许多类型的工业和住宅和商业建筑提供热量。氢可以作为化肥、燃料精炼和塑料等化学品的原料。

氢气生产按颜色分类，氢经济未来

氢的生产是很容易理解的，并且可以使用许多方法。它们在氢的化学来源和电力来源的可再生性方面各不相同。

根据使用的方法，氢气的产生通常分为绿色、灰色、蓝色、棕色或白色。绿色氢是最环保的氢，是利用可再生能源或核能电解产生的。

如果氢要为减缓气候变化做出重大贡献，它的生产必须基于可再生能源驱动的零碳电解。国际能源署(IEA)估计，如果到2050年实现净零排放，到2030年工业氢总需求将增长44%，其中低碳氢将达到2100万吨国际能源署9月2022年氢追踪报告。正在取得一些进展国际能源机构表示，增加氢气产量，2020年将安装近70兆瓦的电解产能，比上一年的纪录翻一番。

通过控制、仪表优化电解槽性能的方法

作为一个多阶段的过程，绿色制氢需要精确的测量以确保安全高效的运行。ISO22734:2019(水电解制氢-工业，商业和住宅应用)规定了氢气生产过程中需要测量的主要参数，以帮助保持控制并避免可能影响效率或安全的潜在问题。

为了生产绿色氢，目前使用的电解方法主要有三种。

1. 碱性电解(AEC)是一项成熟的商业化技术。为了最大限度地提高用于生产氢的电解质的导电性，AEC电解槽使用25-30 wt%氢氧化钾(KOH)的碱性溶液，称为碱液。电解液的高碱性意味着任何与之接触的仪器都必须是防腐蚀的。工业电导率传感器具有PVDF主体和哈氏合金C电极等功能，非常适合高浓度KOH测量等侵略性应用。

2. PEM(质子交换膜)电解槽使用纯水作为电解质溶液，避免了碱性电解槽所需的氢氧化钾电解质溶液的回收和再循环。水的纯度是关键，使用反渗透和离子交换树脂将水去离子化，使其电导率低于0.1 mS/m。专为超纯水应用而设计，双电极电导率电池可以确保水的电导率保持在这个水平，几乎不需要维护。

3. 固体氧化物电解电池(soe)采用陶瓷作为电解液，材料成本低。它们在高温下工作，具有很高的电效率，使用蒸汽进行电解过程，因此需要热源。使用蒸汽而不是化妆SOE电解槽对仪表的要求与AEC和PEM电解槽不同，要求很高智能仪表精确测量流量、压力和温度。

控制氢电解反应需要精确的气体分析仪

氢电解过程的过程控制有三个主要功能:安全操作、有效的氢转换和气体纯度控制。

电解过程中的一个挑战是氢气流中可能会积聚少量的氧气，氢气也可能积聚在氧气流中。电解槽堆组件可以将气体从电解槽的一侧泄漏到另一侧。ISO22734将此定义为故障条件。

为了避免这种情况，氢电解槽需要敏感的气体分析仪，可以测量氧气流中痕量的氢，反之亦然，非常低的水平。

未加工的氢气还含有来自电解槽的电解液蒸气。可拆卸相分离器允许在电解槽后进行气液分离。监测分解相分离器中的液位是至关重要的，因为非常低的液位将关闭电解槽并触发氮气吹扫。

液位测量，温度控制氢测量

磁位仪，包括磁开关和磁传感器，可用于测量相分离器中的低电平和高电平。通过将设备与过程介质隔离，磁液位测量为相位分离器中的液位测量提供了理想的非接触式解决方案，同时也消除了对昂贵的密封、隔膜和通常与点液位开关技术相关的过程连接的需要。设定点可以在不改变工艺管道的情况下进行调整，从而使液位开关能够快速部署，易于调节且易于维护。

温度控制也很关键。来自可再生能源的可变电力供应可能导致电解槽增加产量，吸收更多的电流并提高温度。连续测量堆温度可以有效地控制冷却，使温度保持在安全范围内。

将铂电阻温度计与适当的变送器相结合，将提供所需的测量和在发生警报时触发预防措施的解决方案。如果还包括连续传感器监测和自我监测等功能，则可以收集有关电源电压和断线或腐蚀等问题的额外信息。

同样的技术也可以应用于监测和控制脱氧阶段的温度，在脱氧阶段，氢中的微量氧在放热催化反应中转化为水，从而产生最终的氢产物。必须监测温度，以确保反应保持在控制之下，条件保持在安全范围内。

压力测量，泵送液态水供应

有些类型的电解槽被设计成在高压下运行。如果气体要在高压下使用，精确测量压力水平的能力尤为重要，因为将液态水泵送到电解槽到30 bar这样的高压比在电解槽后将氢气从大气压压缩到30 bar成本更低，能耗也更低。在水回路中安装数字压力变送器以连续监测压力，有助于优化泵送性能。

准确可靠的压力测量对于维护过程安全至关重要，因为它可以防止电解槽的过压，并确保电解槽产生的氢气和氧气可以畅通无阻地流出。

压力变送器测量氧气和氢气的压力。根据IEC61508系列功能安全标准，通过TUV NORD认证，用于过程安全控制系统，有助于保护加压电解槽。

氢气应用中影响压力变送器的另一个问题是氢气渗透问题。由于氢分子穿过压力变送器膜片并扩散到压力变送器的填充液中，氢渗透会损害变送器的性能，直至发生故障。采用钛基二元纳米涂层可提供最高的抗氢离子渗透能力，同时使压力变送器膜片能够响应不断变化的压力条件。

智能测量增加自动化，控制效率

当今的智能数字测量技术提供了更高的精度，范围和深度的信息，可用于评估过程性能和测量设备的状态。远程连接等功能有助于提高诊断信息的可用性，使工程师能够在不在场的情况下执行故障跟踪或更改仪器配置等操作。更高的预测性有助于主动维护，避免不必要的停机时间，并最大限度地降低关键工艺设备潜在损坏或氢气质量受损的风险。

数字仪器提供了更高的简便性，使任何经验水平的操作人员都可以使用熟悉的技术(如QR码)更轻松地访问或传递关键的操作和维护相关数据。

自动化可以帮助发展氢经济

据预测，绿色氢等能源的开发将在实现净零碳目标方面发挥越来越大的作用，预计到2050年，全球氢经济将达到2.5万亿美元，创造3000万个就业机会。作为一种最大限度地提高效率和安全性并提供决策所需数据的方式，智能仪器几乎肯定会在这一增长中发挥重要作用。

科妮莉亚Huber是全球传播和营销经理吗ABB BL仪表。编辑:Mark T. Hoske，内容经理，控制工程、CFE媒体与技术，mhoske@cfemedia.com。

关键词:绿色制氢、过程仪表

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