在各種來自環境、經濟和地緣政治因素的推動下，綠色氫能等可持續能源的發展正在加速，不斷推動著全球實現工業零碳排放的進程。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生，并尋找從化石燃料轉向更可持續的替代品的方法。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，以期在本世紀中葉實現凈零碳排放。
相關預測顯示，到2050年，全球氫能經濟產值將達到2.5萬億美元，并將創造3000萬個就業機會。作為最大限度提高效率和安全性并提供決策所需數據的一種方式，實現這些目標意味著從煤炭、石油和天然氣等傳統能源，轉向產生最少排放且不依賴于少數幾個國家供應的可再生能源。
1、用于可持續燃料的綠色氫氣
從消費到工業應用，在能源供應中最關鍵的是需要一致、可靠和可擴展的能源。盡管風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，很難儲存生產的電力。
因此，盡管化石燃料對環境有不良影響，但它們仍然是能源供應的支柱。這是因為它們具有更高的能量密度，可以儲存以滿足季節性需求，此外，它們還能為一些工業過程提供化學原料。
不過，隨著氫氣作為一種能源的可行性不斷提高，這一現狀正在改變。氫氣提供了可再生能源和化石燃料的許多優勢——它可以以低排放或零排放生產，可以儲存和運輸，清潔燃燒，并可進一步用于化學加工或生產。
因此，它被認為是幫助脫碳能源應用的關鍵燃料之一。它可以用作運輸和調峰電廠的燃料，燃燒氫氣也可以為多種類型的工業、住宅和商業建筑供熱，此外，氫氣還可以作為化肥、燃料精煉和塑料等化學產品的原料。
眾所周知，可以使用多種工藝來制氫。這些工藝在氫的化學來源和電力來源的可再生性方面各不相同。按生產方法的不同，氫氣生產通常分為綠色、灰色、藍色、棕色或白色。綠氫是最環保的類型，一般使用可再生能源或核能電解生產。
如果氫氣要為緩解氣候變化做出重大貢獻，其生產必須是基于可再生能源提供的零碳電解。根據國際能源署2022年9月發布的一份氫氣跟蹤報告，如果到2050年實現凈零排放，到2030年工業對氫氣的總需求將增長44%，其中低碳氫氣將達到2100萬噸。國際能源署表示，在增加氫氣產量方面正在取得一些進展，2020年安裝了近70兆瓦的電解產能，比前一年翻了一番。
▲圖1：智能工藝儀表助力綠色氫氣生產。ABB的AC211 2-電極導電裝置專為超純水應用而設計，可確保在幾乎無需維護的情況下保持水的導電性。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、通過控制和儀表優化電解槽性能
作為一個多階段工藝，綠色氫氣生產需要精確的測量，以確保安全高效的運行。ISO22734:2019（用水電解處理的氫發生器——工業、商業和住宅應用）規定了氫氣生產過程中需要測量的主要參數，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）是一種成熟的商業技術。為了最大限度地提高用于生產氫氣的電解質的導電性，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。工業電導率傳感器具有PVDF主體和Hastelloy C電極，非常適合高濃度KOH測量等嚴苛場合的應用。
■ 質子交換膜（PEM）電解槽，使用純水作為電解質溶液，避免了回收和再循環堿性電解槽所需的氫氧化鉀電解質溶液。水的純度是關鍵，使用反滲透和離子交換樹脂將水去離子至小于0.1mS/m的電導率。專為超純水應用而設計的2電極電導率電池，可以確保水的電導率保持在這個水平，幾乎不需要維護。
■ 固體氧化物電解池（SOE），使用陶瓷作為電解質，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電解槽，需要使用智能儀表準確測量流量、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、高效的電氫轉換和氣體純度控制。在電解過程中面臨的一個挑戰是，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泄漏到另一側（ISO22734將其定義為故障狀態）。
▲圖2：ABB H-Shield鈦基二元納米涂層具有緊密的分子結構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。
為了避免這種情況的發生，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蒸汽。相分離器允許在電解槽之后進行氣體和液體分離。監測分解相分離器中的液位至關重要，因為液位過低會關閉電解槽并觸發氮氣吹掃。
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。通過將設備與工藝介質隔離，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技術相關的昂貴的密封、隔膜和工藝連接的需求。設定值點可以在不改變工藝管道的情況下進行調整，這樣就可以使用快速部署、易于調整和維護的液位開關。
溫度控制也是至關重要的。可再生能源的可變電力供應可能會導致電解槽增加產量，消耗更多電流并提高溫度。持續測量電解槽的溫度，將能夠有效控制冷卻，以將溫度保持在安全范圍內。
將鉑電阻溫度計與適當的變送器相結合，可以提供所需的測量結果，并在報警發生時，觸發預防措施中的解決方案。如果還包括連續傳感器監測和自我監測等功能，則有可能收集有關電源電壓和電線斷裂或腐蝕等問題的額外信息。
同樣的技術可以應用于監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中轉化為水，從而產生最終的氫氣產物。監測溫度以確保反應受控，并且工況保持在安全限度內至關重要。
5、壓力測量和泵送液態水供應
某些類型的電解槽設計是在高壓下運行。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。在水回路中安裝數字壓力變送器，以連續監測壓力，有助于優化泵送性能。
準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IEC61508系列功能安全標準，認證用于過程安全的控制系統，有助于保護加壓電解槽。
在氫氣應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
當今的智能數字測量技術提供了更高的準確性、范圍和深度信息，可用于評估工藝性能和測量設備的狀態。遠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。更強大的可預測性有助于主動維護，避免不必要的停機時間，并將關鍵工藝裝置的潛在損壞或氫氣質量受損的風險降至最低。
數字儀表的操作更簡單，使任何經驗水平的操作員都能更容易使用熟悉的技術訪問或傳輸與操作和維護相關的關鍵數據。
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