أجهزة الغاز وتحليلها للهيدروجين

يلعب الهيدروجين دورًا مهمًا في إنتاج الطاقة المتجددة. تساعد أدوات قياس الغاز وتحليله(محلل غاز الهيدروجين ومستشعر ضغط اله يدروجين ومقياس تدفق الهيدروجين وأجهزة إرسال درجة الحرارة) على تحسين عملية التصنيع وتقليل التكاليف وزيادة عمر عمليات إنتاج الهيدروجين وتخزين الهيدروجين ونقله ومحطات وخلايا الوقود.

يأتي الهيدروجين، الذي غالباً ما يوصف بأنه ناقل الطاقة في المستقبل، في مجموعة من الألوان اعتماداً على كيفية إنتاجه وتأثيره البيئي. ويتم تصنيف كل نوع حسب اللون الذي يوفر معلومات عن المزايا والعيوب المرتبطة بعملية إنتاجه.

يتم إنتاج الهيدروجين الأسود والبني عن طريق تغويز الفحم والفحم الحجري على التوالي. وتنبعث من هذه الطرق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون وغازات الدفيئة الأخرى، مما يشكل تحدياً كبيراً للتحول البيئي.

يتم إنتاج الهيدروجين الأخضر عن طريق التحليل الكهربائي للمياه باستخدام الكهرباء من مصادر متجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. وهو الخيار الأكثر استدامة ونظافة، ولكنه يظل مكلفاً بسبب تكلفة الطاقة المت جددة وتكنولوجيا التحليل الكهربائي.

يتم توليد الهيدروجين الوردي (الذي يُطلق عليه أحيانًا اللون الأحمر أو الأرجواني)، على غرار الهيدروجين الأخضر، عن طريق التحليل الكهربائي، ولكن على وجه التحديد منالطاقة النووية. وعلى الرغم من انخفاض بصمته الكربونية، إلا أنه يثير مخاوف بشأن السلامة النووية ومعالجة النفايات المشعة.

يُنتَج الهيدروجين الأزرق من الهيدروكربونات، مثل الغاز الطبيعي، باستخدام عملية احتجاز الكربون وتخزينه (CCS) لتقليل الانبعاثات. وهو أكثر نظافة من الهيدروجين الأسود أو البني، ولكنه لا يزال يعتمد على الوقود الأحفوري ويتطلب بنية تحتية فعالة لاحتجاز الكربون وتخزينه.

يشير الهيدروجين الأبيض إلى الهيدروجين الحراري الأرضي المستخرج مباشرة من المصادر الطبيعية، ولكن توافره يقتصر على المناطق النشطة جغرافياً.

يتم الحصول على الهيدروجين الفيروزي عن طريق التحلل الحراري للميثان، وهي طريقة أنظف لأنها تنتج الكربون الصلب بدلاً من ثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك، لا تزال هذه التكنولوجيا في مرحلة مبكرة من التطوير.

يُستخدم الهيدروجين الأصفر أحيانًا للإشارة إلى الهيدروجين المنتج بالتحليل الكهربائي باستخدام الكهرباء من مزيج من المصادر المتجددة والأحفورية، مما يضعه في مكان ما بين الأخضر والرمادي من حيث البصمة الكربونية.

يُصنع الهيدروجين الرمادي من الغاز الطبيعي عن طريق الإصلاح بالبخار دون التقاط ثاني أكسيد الكربون المنبعث، مما يجعله مصدرًا كبيرًا لانبعاثات غازات الاحتباس الحراري.

منذ 17 فبراير 2021، وبفضل مرسوم راسخ في قانون الطاقة والمناخ، استفاد قطاع الهيدروجين في فرنسا من الاعتراف القانوني المؤكد في قانون الطاقة. يقترح هذا الإطار القانوني المبتكر نهجًا متجددًا لتصنيف الهيدروجين، متخليًا عن الفئات الملونة القديمة لصالح تصنيف يعتمد على السمات البيئية للهيدروجين.

ونتيجة لذلك، يركز تقييم الهيدروجين الآن على تأثيره البيئي، مع تسليط الضوء على طبيعة مصدر الطاقة الأصلي وحجم انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن إنتاجه.

ويشمل الهيدروجين المتجدد عموماً الهيدروجين الأخضر، وأحياناً الوردي، شريطة أن تكون الطاقة النووية متجددة.

يشمل الهيدروجين منخفض الكربون أنواع الهيدروجين التي يولد إنتاجها كمية أقل من ثاني أكسيد الكربون مقارنة بالطرق التقليدية، ولا سيما الهيدروجين الأزرق وأحياناً الهيدروجين الفيروزي. ويحدد التوجيه الخاص بسوق الغاز والهيدروجين عتبة 3.38 _{كغم من مكافئ ثاني أكسيد الكربون/كغم من}الهيدروجين لتعريف الهيدروجين منخفض الكربون.

الهيدروجين الكربوني هو مصطلح يُستخدم لوصف أشكال الهيدروجين المنتجة ذات البصمة الكربونية الكبيرة، مثل الهيدروجين الأسود أو البني.

يقدم كل نوع من أنواع الهيدروجين حلاً وسطاً بين التكلفة وإمكانية الوصول والأثر البيئي، مما يعكس تعقيد الانتقال إلى اقتصاد الهيدروجين والحاجة إلى الابتكار المستمر لتحقيق إنتاج مستدام ومجدٍ اقتصادياً.

طريقة إنتاج الهيدروجين

الطريقة التقليدية لإنتاج الهيدروجين: الإصلاح بالبخار (SMR)

الخصائص:

• المواد الخام: الماء، الميثان، الميثان، الغاز الطبيعي، غاز البترول المسال، النافثا
• الطاقة : الحرارة
• المزايا: الطريقة الأرخص، حيث تمثل 90% من إنتاج H2 العالمي
• البصمة الكربونية: من 1 إلى 6 _{كجم من مكافئ ثاني أكسيد الكربون/كجم}H2

ولإنتاج الهيدروجين عن طريق إعادة التشكيل بالبخار، يتم تسخين الهيدروكربون والبخار في وجود عامل حفاز. ويتم الحصول على H2 أو خليط من ثاني أكسيد الكربون وH2. وتستخدم الهيدروكربونات الخفيفة مثل الميثان والغاز الطبيعي وغاز البترول المسال والنفتا كمواد خام. ويجب إزالة الكبريت من هذه المواد قبل استخدامها.

تتضمن هذه الطريقة لإعادة تشكيل الميثان بالبخار سلسلة من التفاعلات الكيميائية التي يتفاعل فيها الهيدروكربون مع البخار لإنتاج الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون.

وفي هذا السياق، تلعب كل أداة قياس دورًا محددًا في ضمان الإنتاج الفعال والآمن.

قياس الضغط ضروري للتحكم في الضغط داخل المفاعلات، مما يضمن الظروف المثلى للتفاعلات الكيميائية والسلامة العامة للعملية. يعد قياس درجة الحرارة أمرًا بالغ الأهمية أيضًا، مما يتيح مراقبة درجة الحرارة في المفاعل وتنظيمها، حيث يتطلب الإصلاح درجات حرارة عالية ليكون فعالًا، مما يؤثر بشكل مباشر على أداء المعدات وطول عمرها.

ويؤدي قياس التدفق دوراً لا غنى عنه في تنظيم إمدادات البخار والهيدروكربونات إلى المفاعل، مما يضمن الحفاظ على التفاعلات الكيميائية اللازمة وإنتاج الهيدروجين باستمرار. ويستخدمتحليل الغازات أيضاً لفحص تركيبة الغازات المنتجة، والتحقق من التحويل الفعال للهيدروكربونات إلى هيدروجين والكشف عن الشوائب أو المنتجات الثانوية، مثل أول أكسيد الكربون، التي يمكن أن تضر بجودة الغاز.

على الرغم من أن قياس المستوى أقل شيوعًا، إلا أنه يُستخدم للتحكم في أحجام السوائل، مثل الماء والهيدروكربونات، قبل معالجتها، مما يضمن الإدارة الدقيقة للمواد الخام اللازمة للعملية.

الطريقة التقليدية لإنتاج الهيدروجين: التحليل الكهربائي

الخصائص:

• مادة خام : ماء
• الطاقة : الكهرباء
• البصمة الكربونية: من 0.3 إلى 2.77 _{كجم من مكافئ ثاني أكسيد الكربون/كجم}من H2

تُعد أجهزة التحليل الكهربائي في طليعة التكنولوجيا، حيث تسخر الطاقة الكهربائية لفصل الماء إلى هيدروجين وأكسجين. وهناك عدد من التقنيات المختلفة: التحليل الكهربائي للمياه القلوية (AWE)، والتحليل الكهربائي بغشاء تبادل البروتونات (PEM)، والتحليل الكهربائي للأكسيد الصلب (SOEC)، والتحليل الكهربائي بغشاء تبادل الأنيونات (AEM).

ويعتمد ضمان أقصى قدر من الكفاءة والسلامة في عملية إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء اعتمادًا كبيرًا على أدوات القياس الدقيقة وأنظمة التحكم.

تعتبر مستشعرات الضغط ضرورية للحفاظ على الضغط الداخلي للمحلل الكهربائي ضمن الحدود التشغيلية الآمنة، وبالتالي منع أي سيناريو ضغط زائد خطير. وعلى نفس القدر من الأهمية دور تكنولوجيا قياس درجة الحرارة، التي توفر بيانات في الوقت الحقيقي لمراقبة الحالة الحرارية للمحلل الكهربائي، وهو متغير يؤثر بشكل كبير على كفاءة العملية وطول عمرها.

توفر أجهزة قياس التدفق الهيدروجين قياسًا دقيقًا لمعدل إنتاج الهيدروجين، مما يسمح للمشغلين بمراقبة معدلات الإنتاج وإجراء التعديلات لتحسين الأداء.

وأخيراً، يلعبتحليل تركيبة الهيدروجين دوراً أساسياً في ضمان نقاء الهيدروجين المنتج. تضمن هذه العملية التحليلية أن الهيدروجين المنتج يفي بمعايير الجودة العالية المطلوبة لمختلف التطبيقات، مع تحديد أي شوائب أو منتجات ثانوية غير مرغوب فيها قد تظهر أثناء التحليل الكهربائي.

الطريقة التقليدية لإنتاج الهيدروجين: مشتقات الهيدروجين، صناعة المعادن، صناعة رماد الصودا

الخصائص:

• المواد الخام: الفحم، وخام الحديد، ومياه البحر (محلول ملحي)
• الطاقة : الحرارة والكهرباء

يمثل إنتاج الهيدروجين كمنتج ثانوي في مجموعة متنوعة من القطاعات الصناعية، بما في ذلك صناعة الصلب والصودا الكاوية، تحديات فريدة في التقاط هذا الغاز القيّم وتنقيته واستخدامه بكفاءة. إليك كيف تساعد دقة أدوات القياس في التحكم في هذه العمليات وتحسينها.

في علم المعادن، وخاصةً في إنتاج الصلب، غالبًا ما يتم إطلاق الهيدروجين أثناء اختزال أكاسيد الحديد باستخدام طرق الاختزال البديلة. ويساعد مستشعر ضغط الهيدروجين في هذا السياق على مراقبة بيئات التفاعل التي يتولد فيها الهيدروجين والتحكم فيها، مما يضمن ظروف عمل آمنة ومثالية لاختزال المعادن. يعد قياس درجة الحرارة أمرًا بالغ الأهمية أيضًا، مما يضمن وصول الأفران والمعدات الأخرى إلى درجات الحرارة المطلوبة لاختزال المعادن بكفاءة والحفاظ عليها أثناء إدارة إنتاج الهيدروجين.

في صناعة الصودا الكاوية، يتم إنتاج الهيدروجين كمنتج ثانوي للتحليل الكهربي للمحلول الملحي في عملية الكلور القلوي. يلعب قياس الضغط دورًا حاسمًا في التحكم في خلايا التحليل الكهربائي، حيث يمكن أن تؤثر الاختلافات في الضغط على كفاءة التحليل الكهربائي وسلامة العملية. تُستخدم مستشعرات درجة الحرارة لتنظيم درجات حرارة الخلية، وتحسين التفاعلات الإلكتروليتية وكمية الهيدروجين المتولدة. يتحكم قياس التدفق في تدفق المحلول الملحي والمحلول الكيميائي، مما يضمن إمدادات مستقرة وإنتاج مستمر.

وفي كلتا الحالتين، تكون أجهزة تحليل الغاز ضرورية لتحديد نقاء الهيدروجين المستعاد. وتعد هذه الخطوة حاسمة في تحديد ما إذا كان يمكن استخدام الهيدروجين مباشرة في العمليات الصناعية الأخرى أو ما إذا كان يتطلب مزيداً من التنقية. على سبيل المثال، قد يتطلب وجود شوائب مثل أول أكسيد الكربون استخدام تقنيات تنقية مثل الامتزاز المتأرجح بالضغط (PSA) قبل أن يمكن استخدام الهيدروجين بأمان.

وأخيراً، يساعد قياس المستوى في صهاريج تخزين الهيدروجين على إدارة المخزونات المتاحة والتخطيط لإنتاج أو بيع فائض الهيدروجين. وهذا لا يتيح فقط الإدارة الفعالة للموارد، ولكن أيضًا التكامل الاستراتيجي للهيدروجين في الأنشطة الصناعية الشاملة للشركة.

لذا فإن دمج هذه التدابير في العمليات الصناعية ليس مجرد مسألة امتثال تنظيمي، بل هو عنصر حاسم في زيادة الكفاءة وتعظيم إنتاجية الهيدروجين المنتج وتعزيز التزامات التنمية المستدامة للصناعات المعنية.

تقنيات إنتاج الهيدروجين في المستقبل: تغويز الفحم

الخصائص:

• المواد الخام : الفحم والماء
• الطاقة : الحرارة (الوقود الأحفوري)
• الميزة: كثافة عالية H2,
• المنتجات المشتركة: نفايات الفحم رديئة الجودة

إن تغويز الفحم هو طريقة متطورة لإنتاج الهيدروجين تحول الفحم إلى خليط من الغاز الغني بالهيدروجين المعروف باسم الغاز المتزامن.

يتفاعل الكربون المحقون في الفرن مع الأكسجين الموجود في الهواء لتكوين ثاني أكسيد الكربون و/أو ثاني أكسيد الكربون، أو يتفاعل مع بخار الماء لتكوين ثاني أكسيد الكربون وH2.

يتفاعل ثاني أكسيد الكربون الناتج مع بخار الماء، ويذوب في CO وH2. CO + H2o CO2 + H2. وتتطلب هذه العملية، التي تحدث في بيئة عالية الحرارة ومضغوطة، استخدام تقنيات قياس متقدمة لضمان كفاءة وسلامة العمليات.

أجهزة استشعار الضغط ضرورية للتحكم بدقة في ظروف التشغيل في جهاز التغويز، حيث يكون الضغط المستقر أمرًا حاسمًا للتفاعل الكيميائي.

يلعب قياس درجة الحرارة دورًا حاسمًا في مراقبة وتنظيم درجات الحرارة العالية اللازمة لتفاعل التغويز.

يضمن مقياس التدفق تحكمًا صارمًا في كميات الأكسجين وبخار الماء المحقون، وهما عنصران أساسيان لإنتاج الغاز التخليقي الأمثل.

وبالإضافة إلى ذلك، يُستخدم تحليل الغاز لفحص تركيبة الغاز التخليقي وضبط معلمات العملية في الوقت الفعلي، مما يضمن زيادة إنتاج الهيدروجين إلى أقصى حد مع تقليل الشوائب إلى أدنى حد. وأخيرًا، يساعد قياس المستوى على إدارة صهاريج التخزين للمدخلات والمنتجات النهائية، مما يضمن التغذية المستمرة والفعالة للنظام.

وتتيح أدوات القياس هذه معًا إدارة عملية تغويز الفحم بدقة وكفاءة، مما يجعل العملية عنصرًا حيويًا في صناعة الهيدروجين الحديثة.

تكنولوجيات إنتاج الهيدروجين المستقبلية: التحويل الكيميائي الحراري، والتحلل الحراري للكتلة الحيوية، والتحلل الضوئي، إلخ.

الخصائص:

• المواد الخام: الماء والكتلة الحيوية (الخشب والمخلفات الزراعية ومخلفات الغابات، إلخ)
• الطاقة : الحرارة والكهرباء والطاقة الشمسية (الطاقة المتجددة)
• الميزة: استخدام الطاقة الطبيعية
• البصمة الكربونية: 2 _{كجم من مكافئ ثاني أكسيد الكربون/ساعة2}
• المنتجات المشتركة: النفط، الغاز الصناعي، الفحم الحيوي

إن إنتاج الهيدروجين عن طريق التحويل الكيميائي الحراري الكيميائي والتحلل الحراري للكتلة الحيوية والتحلل الضوئي هي طرق مبتكرة تستغل مصادر الطاقة المختلفة لتكسير جزيئات الماء أو المركبات العضوية الأخرى إلى هيدروجين. وتتطلب كل من هذه التقنيات أدوات قياس متخصصة لتحسين الإنتاجية وضمان سلامة العملية.

بالنسبة للتحويل الكيميائي الحراري الكيميائي والتحلل الحراري للكتلة الحيوية، حيث يتم استخدام درجات حرارة عالية لتكسير الكتلة الحيوية إلى هيدروجين وغازات أخرى، فإن قياس درجة الحرارة أمر بالغ الأهمية. فهو يتيح المراقبة الدقيقة لظروف التفاعل، وهو أمر ضروري لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة.

كما أن تنظيم الضغط مهم أيضًا للحفاظ على بيئة خاضعة للرقابة وتحسين التفاعل والسلامة.
وتؤديأجهزة تحليل الغازات دوراً حيوياً في توصيف الغازات المنتجة وتعديل بارامترات التفاعل وفقاً لذلك، مما يضمن نقاء الهيدروجين المنتج وتقليل المنتجات الثانوية غير المرغوب فيها.

في حالة التحلل الضوئي، الذي يستخدم الضوء، وخاصة ضوء الشمس، لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين، يُستخدم قياس التدفق للتحكم في إمدادات المياه وإطلاق الغازات، مما يضمن تشغيل النظام بشكل مستمر وفعال.

تعبئة الهيدروجين ونقله

تُعد مرحلة التعبئة والتغليف والنقل بالشاحنات أمرًا بالغ الأهمية لضمان سلاسة وتأمين سلسلة توريد الهيدروجين.

تلعب أجهزة قياس الضغط دورًا حيويًا في مراقبة الضغط أثناء ضغط الهيدروجين والحفاظ عليه في صهاريج أو أسطوانات التخزين أثناء النقل. وهذا يجنبنا المخاطر المرتبطة بزيادة الضغط التي يمكن أن تعرض سلامة الحاويات للخطر.

تعتبر مراقبة درجة الحرارة ضرورية لضمان عدم تعرض الهيدروجين لتغيرات حرارية قد تتسبب في ارتفاعات خطيرة في الضغط أثناء التخزين والنقل.

يعد قياس التدفق أمرًا ضروريًا لتحديد معدل شحن الهيدروجين أو تفريغه من مرافق التخزين بدقة، مما يتيح الإدارة المثلى والفوترة الدقيقة.

كما أنتحليل الغازات أمر حيوي أيضًا: فهو يضمن بقاء الهيدروجين خاليًا من التلوث طوال فترة نقله، مما يحافظ على نقائه للاستخدامات النهائية.

وأخيرًا، يتم استخدام قياس المستوى لتحديد حجم الهيدروجين الموجود في صهاريج التخزين بدقة أثناء النقل، مما يضمن معرفة واضحة للكميات المتداولة ويساعد على منع الحمولة الزائدة أو النقص في المنتج.

محطات توزيع الهيدروجين

تعمل محطات توزيع الهيدروجين كمراكز عصبية توفر حلقة الوصل بين منتجي الهيدروجين والمستخدمين النهائيين. يتم ضمان الدقة والسلامة في هذه المحطات من خلال أدوات القياس المتخصصة التي تنظم عملية التوزيع.

يعد التحكم في الضغط أمرًا أساسيًا للتوزيع الآمن للهيدروجين على المركبات أو الحاويات، مما يضمن بقاء الضغط أثناء إعادة التزود بالوقود ضمن المعايير الآمنة.

يعد قياس درجة الحرارة مهمًا بشكل خاص للتحكم في درجة حرارة الهيدروجين وبيئة المحطة، وهما عاملان يؤثران على سلامة وكفاءة عملية التوزيع. تساعد المراقبة الدقيقة على تجنب تغيرات الضغط الناتجة عن تغيرات درجة الحرارة.

أما بالنسبة لعدادات التدفق، فهي تضمن القياس الدقيق لكمية الهيدروجين الموزعة، وهو أمر ضروري لإدارة المخزون ولإصدار فواتير دقيقة للمستهلكين.

ويُستخدمتحليل تركيبة الغاز لتأكيد نقاء الهيدروجين وقت البيع، وهو معيار جودة يمكن أن يحدد كفاءة الطاقة في المركبات التي تعمل بالهيدروجين.

وأخيراً، تعد أجهزة استشعار المستوى ضرورية لمراقبة كمية الهيدروجين المتاحة للتوزيع، مما يتيح إدارة احتياطيات المحطة بكفاءة لتلبية الطلب بشكل مستمر. وتشكل هذه التدابير مجتمعةً الأساس التكنولوجي للتشغيل الآمن والموثوق لمحطات تعبئة الهيدروجين، وهي عناصر أساسية في البنية التحتية للطاقة في المستقبل.

خلية الوقود الثابتة (PAC الثابتة)

تستخدم خلايا الوقود الثابتة لتوليد الطاقة (PAC الثابتة) الهيدروجين لتوليد الكهرباء بشكل نظيف وفعال، وهي مزودة بمجموعة من أدوات القياس الأساسية لتحسين تشغيلها وضمان سلامتها.

وتؤدي أدوات قياس الضغط دورًا حاسمًا في مراقبة ضغط الهيدروجين المزود للخلايا، مما يضمن توصيل الغاز بالمستويات المثلى للتفاعل الكهروكيميائي. كما أن أجهزة استشعار درجة الحرارة ضرورية أيضًا، حيث إنها تتحكم في درجة الحرارة داخل خلايا الوقود، مما يمنع ارتفاع درجة الحرارة الذي قد يؤدي إلى تلف المكونات وتقليل كفاءة النظام.

تضمن مستشعرات التدفق التحكم الدقيق في تدفق الهيدروجين والأكسجين إلى الخلايا، وهو أمر حيوي للحفاظ على التوازن الصحيح للمواد المتفاعلة وزيادة إنتاج الطاقة إلى أقصى حد.

تُستخدم أجهزة تحليل الغازات لمراقبة جودة الهيدروجين والكشف عن أي ملوثات يمكن أن تؤثر على أداء الخلية أو عمرها الافتراضي. وأخيراً، غالباً ما يتم دمج مجسات المستوى لرصد مستويات الهيدروجين المخزنة، مما يضمن إمدادات مستمرة دون انقطاع الخدمة.

ومن ثم فإن أدوات القياس هذه ضرورية للتشغيل الآمن والفعال لأنظمة تكييف الهواء الثابتة، مما يتيح المراقبة في الوقت الحقيقي والاستجابة السريعة للتغيرات في ظروف التشغيل. ويضمن استخدامها قدرة هذه الأنظمة على توفير مصدر موثوق ومستدام للطاقة، مع دعم الأهداف البيئية للحد من الانبعاثات وتعزيز الطاقة المتجددة.