Instrumentação e análise de gases para o hidrogénio
Os instrumentos de medição da Fuji Electric são concebidos para responder eficazmente aos desafios cruciais da indústria do hidrogénio, em todas as fases da sua produção.
Eis como abordamos estas questões:
Gestão de custos: As nossas tecnologias avançadas ajudam a minimizar os custos de produção e de funcionamento, ajudando-o a manter-se competitivo no mercado da energia verde.
Eficiência de produção: Ajudamo-lo a melhorar os rendimentos dos processos de produção de hidrogénio, maximizando a produtividade e reduzindo o desperdício de energia.
Fiabilidade dos equipamentos: As nossas soluções robustas garantem a longevidade e a resistência das instalações, mesmo em condições de funcionamento difíceis e face à corrosão.
Qualidade do produto: Asseguramos uma medição precisa e fiável da pureza do hidrogénio, garantindo a qualidade essencial para as suas aplicações nos sectores da mobilidade e da indústria.
Na Fuji Electric, equipamo-lo para enfrentar os desafios actuais e preparamo-nos para um futuro mais verde e sustentável.
Produção sustentável
Conformidade com as normas actuais
Segurança dos processos
Custos de produção mais baixos
Hidrogénio, a energia do futuro
O hidrogénio, frequentemente apelidado de energia do futuro, promete revolucionar a nossa abordagem à produção e utilização de energia limpa. Destaca-se pela sua limpeza, eficiência energética e capacidade de armazenamento. É também apreciado pela sua versatilidade e pelos desafios técnicos que apresenta.
Características da energia do hidrogénio
Limpo e sustentável: O hidrogénio é uma fonte de energia limpa, produzindo principalmente água quando utilizado numa célula de combustível. Isto torna-o uma alternativa atractiva aos combustíveis fósseis para reduzir as emissões de gases com efeito de estufa e combater as alterações climáticas.
Elevada eficiência energética: As células de combustível que utilizam hidrogénio convertem a energia química diretamente em eletricidade, oferecendo uma eficiência mais elevada do que os métodos tradicionais de conversão de energia, como a combustão.
Armazenamento de energia: O hidrogénio pode ser armazenado na forma gasosa ou líquida, permitindo uma utilização flexível numa variedade de aplicações energéticas, incluindo transportes, energias renováveis intermitentes e necessidades industriais.
Versatilidade: O hidrogénio pode ser produzido a partir de uma variedade de fontes, incluindo energias renováveis, gás natural, carvão ou mesmo resíduos orgânicos, tornando o seu fornecimento adaptável e diversificado.
Desafios técnicos: Apesar das suas numerosas vantagens, a produção, o armazenamento e o transporte de hidrogénio apresentam grandes desafios técnicos, nomeadamente em termos de segurança, devido à sua elevada inflamabilidade e à sua pequena dimensão molecular, que pode provocar fugas através de materiais não especialmente concebidos para o conter.
O hidrogénio, frequentemente descrito como o vetor energético do futuro, apresenta-se em várias cores, dependendo da forma como é produzido e do seu impacto ambiental. Cada tipo é classificado por uma cor que fornece informações sobre as vantagens e desvantagens associadas ao seu processo de produção.
O hidrogénio negro e o hidrogénio castanho são produzidos através da gaseificação do carvão e da lenhite, respetivamente. Estes métodos emitem grandes quantidades de CO2 e de outros gases com efeito de estufa, o que constitui um grande desafio para a transição ecológica.
O hidrogénio verde é produzido por eletrólise da água utilizando eletricidade de fontes renováveis, como a energia solar e eólica. É a opção mais sustentável e mais limpa, mas continua a ser dispendiosa devido ao custo das energias renováveis e da tecnologia de eletrólise.
O hidrogénio rosa (por vezes chamado vermelho ou púrpura), semelhante ao hidrogénio verde, é produzido por eletrólise, mas especificamente a partir daenergia nuclear. Embora tenha uma baixa pegada de carbono, suscita preocupações quanto à segurança nuclear e ao tratamento dos resíduos radioactivos.
O hidrogénio azul é produzido a partir de hidrocarbonetos, como o gás natural, utilizando um processo de captura e armazenamento de carbono (CAC) para minimizar as emissões. É mais limpo do que o hidrogénio preto ou castanho, mas continua a depender de combustíveis fósseis e requer uma infraestrutura eficiente de CAC.
O hidrogénio branco refere-se ao hidrogénio geotérmico, extraído diretamente de fontes naturais, mas a sua disponibilidade está limitada às regiões geotermicamente activas.
O hidrogénio turquesa é obtido através da pirólise do metano, que é um método mais limpo porque produz carbono sólido em vez de CO2. No entanto, esta tecnologia está ainda numa fase inicial de desenvolvimento.
O hidrogénio amarelo é por vezes utilizado para designar o hidrogénio produzido por eletrólise utilizando eletricidade proveniente de uma mistura de fontes renováveis e fósseis, o que o coloca algures entre o verde e o cinzento em termos de pegada de carbono.
O hidrogénio cinzento é fabricado a partir do gás natural por reformação a vapor sem capturar o CO2 emitido, o que o torna uma fonte significativa de emissões de gases com efeito de estufa.
Desde 17 de fevereiro de 2021, graças a uma portaria ancorada na Lei Energia-Clima, o sector do hidrogénio em França beneficia de um reconhecimento jurídico afirmado no Código da Energia. Este quadro jurídico inovador propõe uma abordagem renovada para a classificação do hidrogénio, abandonando as antigas categorias coloridas em favor de uma classificação baseada nos atributos ecológicos do hidrogénio.
Consequentemente, a avaliação do hidrogénio centra-se agora no seu impacto ambiental, destacando a natureza da sua fonte de energia original e o volume de emissões de CO2 geradas pela sua produção.
O hidrogénio renovável inclui geralmente o hidrogénio verde e, por vezes, o rosa, desde que a energia nuclear seja considerada renovável.
O hidrogéniocom baixo teor de carbono engloba tipos de hidrogénio cuja produção gera menos CO2 do que os métodos tradicionais, em particular o hidrogénio azul e, por vezes, o hidrogénio turquesa. A Diretiva relativa ao mercado do gás e do hidrogénio estabelece um limiar de 3,38 kgCO2eq/kgH2 para a definição de hidrogénio com baixo teor de carbono.
O hidrogénio carbonatado é um termo utilizado para descrever formas de hidrogénio produzidas com uma grande pegada de carbono, como o hidrogénio negro ou castanho.
Cada tipo de hidrogénio oferece um compromisso entre custo, acessibilidade e impacto ambiental, reflectindo a complexidade da transição para uma economia do hidrogénio e a necessidade de inovação contínua para conseguir uma produção sustentável e economicamente viável.
Método de produção de hidrogénio
Método convencional de produção de hidrogénio: reformação a vapor (SMR)
Vantagens: o método mais barato, responsável por 90% da produção mundial de H2
Pegada de carbono: 1 a 6 kgCO2eq/kgH2
Para produzir hidrogénio por reformação a vapor, o hidrocarboneto e o vapor são aquecidos na presença de um catalisador. Obtém-se H2 ou uma mistura de CO e H2. Os hidrocarbonetos leves como o metano, o gás natural, o GPL e a nafta são utilizados como matérias-primas. Estes materiais devem ser dessulfurados antes de serem utilizados.
Este método de reforma a vapor do metano envolve uma série de reacções químicas em que um hidrocarboneto reage com vapor para produzir hidrogénio e dióxido de carbono.
Neste contexto, cada instrumento de medição desempenha um papel específico para garantir uma produção eficiente e segura.
A medição da pressão é essencial para controlar a pressão no interior dos reactores, garantindo condições óptimas para as reacções químicas e a segurança geral do processo. A medição da temperatura também é crucial, permitindo monitorizar e regular a temperatura no reator, uma vez que a reforma requer temperaturas elevadas para ser eficaz, influenciando diretamente o desempenho e a longevidade do equipamento.
A medição do caudal desempenha um papel indispensável na regulação do fornecimento de vapor e de hidrocarbonetos ao reator, garantindo a manutenção das reacções químicas necessárias e a produção contínua de hidrogénio.A análise de gases é também utilizada para examinar a composição dos gases produzidos, verificando a conversão efectiva dos hidrocarbonetos em hidrogénio e detectando impurezas ou subprodutos, como o monóxido de carbono, que possam comprometer a qualidade do gás.
Embora menos comum, a medição de nível é utilizada para controlar os volumes de líquidos, como a água e os hidrocarbonetos, antes de serem processados, assegurando uma gestão precisa das matérias-primas necessárias para o processo.
Instrumentação adaptada para reforma a vapor (SMR)
Método convencional de produção de hidrogénio: Eletrólise
Características :
Matéria-prima: Água
Energia: Eletricidade
Pegada de carbono: 0,3 a 2,77 kgCO2eq/kgH2
Os electrolisadores estão na vanguarda da tecnologia, aproveitando a energia eléctrica para separar a água em hidrogénio e oxigénio. Existem diferentes tecnologias: eletrólise da água alcalina (AWE), eletrólise por membrana de permuta de protões (PEM), eletrólise de óxidos sólidos (SOEC) e eletrólise por membrana de permuta aniónica (AEM).
Garantir a máxima eficiência e segurança neste processo de produção de hidrogénio por eletrólise da água depende fortemente de instrumentos de medição de precisão e de sistemas de controlo.
Os sensores de pressão são essenciais para manter a pressão interna do eletrolisador dentro de limites operacionais seguros, evitando assim qualquer cenário perigoso de sobrepressão. Igualmente essencial é o papel da tecnologia de medição de temperatura, que fornece dados em tempo real para monitorizar o estado térmico do eletrolisador, uma variável que influencia significativamente a eficiência e a longevidade do processo.
Os medidores de fluxo dehidrogénio fornecem uma quantificação precisa do rendimento do hidrogénio, permitindo aos operadores monitorizar as taxas de produção e fazer ajustes para otimizar o desempenho.
Finalmente, aanálise da composição do hidrogénio desempenha um papel essencial na garantia da pureza do hidrogénio produzido. Este processo analítico assegura que o hidrogénio produzido cumpre os elevados padrões de qualidade exigidos para várias aplicações, identificando simultaneamente quaisquer impurezas ou subprodutos indesejáveis que possam surgir durante a eletrólise.
Método convencional de produção de hidrogénio: derivados do hidrogénio, indústria metalúrgica, indústria do carbonato de sódio
Características :
Matérias-primas: Carvão, minério de ferro, água do mar (salmoura)
Energia: Calor, eletricidade
A produção de hidrogénio como subproduto numa variedade de sectores industriais, incluindo o fabrico de aço e soda cáustica, apresenta desafios únicos na captura, purificação e utilização eficiente deste valioso gás. Eis como a precisão dos instrumentos de medição ajuda a controlar e a otimizar estes processos.
Na metalurgia, em particular na produção de aço, o hidrogénio é frequentemente libertado durante a redução de óxidos de ferro utilizando métodos de redução alternativos. Neste contexto, o sensor de pressão de hidrogénio ajuda a monitorizar e controlar os ambientes de reação onde o hidrogénio é gerado, garantindo condições de trabalho seguras e ideais para a redução de metais. A medição da temperatura também é fundamental, garantindo que os fornos e outros equipamentos atingem e mantêm as temperaturas necessárias para uma redução eficiente do metal, gerindo simultaneamente a produção de hidrogénio.
Na indústria da soda cáustica, o hidrogénio é produzido como um subproduto da eletrólise da salmoura no processo cloro-alcalino. A medição da pressão desempenha um papel crucial no controlo das células electrolíticas, onde as variações de pressão podem influenciar a eficiência da eletrólise e a segurança do processo. Os sensores de temperatura são utilizados para regular as temperaturas das células, optimizando as reacções electrolíticas e a quantidade de hidrogénio gerado. A medição do fluxo controla o fluxo de salmoura e soluções químicas, assegurando um fornecimento estável e uma produção contínua.
Em ambos os casos, os analisadores de gás são essenciais para determinar a pureza do hidrogénio recuperado. Esta etapa é crucial para decidir se o hidrogénio pode ser utilizado diretamente noutros processos industriais ou se necessita de purificação adicional. Por exemplo, a presença de impurezas, como o monóxido de carbono, pode exigir a utilização de tecnologias de purificação, como a adsorção por oscilação de pressão (PSA), antes de o hidrogénio poder ser utilizado em segurança.
Por último, a medição do nível nos tanques de armazenamento de hidrogénio ajuda a gerir os stocks disponíveis e a planear a produção ou venda de hidrogénio excedentário. Isto permite não só uma gestão eficiente dos recursos, mas também a integração estratégica do hidrogénio nas actividades industriais globais da empresa.
Assim, a integração destas medidas nos processos industriais não é apenas uma questão de conformidade regulamentar, mas um elemento crucial para aumentar a eficiência, maximizar o rendimento do hidrogénio produzido e reforçar os compromissos de desenvolvimento sustentável das indústrias envolvidas.
Instrumentação adaptada para derivados de hidrogénio na indústria metalúrgica e de soda
Futuras tecnologias de produção de hidrogénio: Gaseificação do carvão
Características :
Matérias-primas: Carvão, água
Energia : Calor (combustível fóssil)
Vantagem: alta densidade H2,
Co-produtos: Resíduos de carvão de má qualidade
A gaseificação do carvão é um método sofisticado de produção de hidrogénio que transforma o carvão numa mistura gasosa rica em hidrogénio, conhecida como gás de síntese.
O carbono injetado num forno reage com o O2 do ar para formar CO2 e/ou CO, ou reage com o vapor de água para formar CO e H2.
O CO obtido reage com o vapor de água, dissolvendo-se em CO e H2. CO + H2O CO2 + H2. Este processo, que ocorre num ambiente pressurizado e a alta temperatura, requer a utilização de tecnologias de medição avançadas para garantir a eficiência e a segurança das operações.
Os sensores de pressão são essenciais para controlar com precisão as condições de funcionamento no gaseificador, onde a pressão estável é crucial para a reação química.
A medição da temperatura desempenha um papel fundamental na monitorização e regulação das elevadas temperaturas necessárias para a reação de gaseificação.
O medidor de caudal assegura um controlo rigoroso das quantidades de oxigénio e de vapor de água injectados, elementos-chave para uma produção óptima de gás de síntese.
Além disso, a análise de gases é utilizada para examinar a composição do gás de síntese e ajustar os parâmetros do processo em tempo real, garantindo que a produção de hidrogénio é maximizada e que as impurezas são minimizadas. Por fim, a medição do nível ajuda a gerir os tanques de armazenamento de entradas e produtos acabados, garantindo uma alimentação contínua e eficiente do sistema.
Em conjunto, estes instrumentos de medição permitem que a gaseificação do carvão seja gerida com precisão e eficiência, tornando o processo um componente vital da moderna indústria do hidrogénio.
Energia: Calor, eletricidade, solar (energia renovável)
Vantagem: Utilização de energia natural
Pegada de carbono: 2 kgCO2eq/khH2
Co-produtos: óleo, gás de síntese, biochar
A produção de hidrogénio por conversão termoquímica, termólise da biomassa e fotólise são métodos inovadores que exploram várias fontes de energia para decompor as moléculas de água ou outros compostos orgânicos em hidrogénio. Cada uma destas técnicas requer instrumentos de medição especializados para otimizar os rendimentos e garantir a segurança do processo.
Para a conversão termoquímica e a termólise da biomassa, em que são utilizadas temperaturas elevadas para decompor a biomassa em hidrogénio e outros gases, a medição da temperatura é crucial. Permite a monitorização precisa das condições de reação, que são essenciais para atingir a máxima eficiência.
A regulação da pressão é também importante para manter um ambiente controlado, optimizando a reação e a segurança. Os analisadores de gás desempenham um papel vital na caraterização dos gases produzidos e no ajuste dos parâmetros de reação em conformidade, garantindo a pureza do hidrogénio produzido e reduzindo os subprodutos indesejados.
No caso da fotólise, que utiliza a luz, em particular a luz solar, para dividir a água em hidrogénio e oxigénio, a medição do fluxo é utilizada para controlar o fornecimento de água e a libertação de gases, garantindo que o sistema funciona de forma contínua e eficiente.
Instrumentação para conversão termoquímica, termólise de biomassa, fotólise
A fase de acondicionamento e o transporte por camião são cruciais para garantir uma cadeia de abastecimento de hidrogénio sem problemas e segura.
Os dispositivos de medição de pressão desempenham um papel vital na monitorização da pressão à medida que o hidrogénio é comprimido e mantido em tanques de armazenamento ou cilindros durante o transporte. Isto evita os riscos associados a aumentos de pressão que podem comprometer a integridade dos contentores.
A monitorização da temperatura é essencial para garantir que o hidrogénio não sofre variações térmicas que possam causar aumentos de pressão perigosos durante o armazenamento e o transporte.
A medição do fluxo é essencial para quantificar com precisão a taxa a que o hidrogénio é carregado ou descarregado das instalações de armazenamento, permitindo uma gestão optimizada e uma faturação precisa.
A análise do gás também é vital: garante que o hidrogénio permanece livre de contaminação durante todo o seu trânsito, preservando a sua pureza para as utilizações finais.
Por último, a medição do nível é utilizada para determinar com precisão o volume de hidrogénio presente nos tanques de armazenamento durante o transporte, garantindo um conhecimento claro das quantidades em circulação e ajudando a evitar sobrecargas ou faltas de produto.
Instrumentação adequada para o acondicionamento e transporte de hidrogénio
As estações de distribuição de hidrogénio funcionam como centros nevrálgicos, estabelecendo a ligação entre os produtores de hidrogénio e os utilizadores finais. A precisão e a segurança nestas estações são garantidas pelos instrumentos de medição especializados que orquestram o processo de distribuição.
O controlo da pressão é fundamental para a distribuição segura de hidrogénio a veículos ou contentores, garantindo que a pressão durante o reabastecimento se mantém dentro de parâmetros seguros.
A medição da temperatura é particularmente importante para controlar a temperatura do hidrogénio e o ambiente da estação, dois factores que influenciam a segurança e a eficiência do sistema de distribuição. Uma monitorização cuidadosa ajuda a evitar variações de pressão causadas por alterações de temperatura.
Quanto aos medidores de caudal, asseguram a medição exacta da quantidade de hidrogénio dispensado, o que é essencial tanto para a gestão de stocks como para a faturação exacta aos consumidores.
A análise da composição do gás permite confirmar a pureza do hidrogénio no momento da venda, um critério de qualidade que pode determinar a eficiência energética dos veículos movidos a hidrogénio.
Finalmente, os sensores de nível são essenciais para monitorizar a quantidade de hidrogénio disponível para distribuição, permitindo que as reservas da estação sejam geridas de forma eficiente para satisfazer a procura numa base contínua. Em conjunto, estas medidas formam a base tecnológica para o funcionamento seguro e fiável das estações de abastecimento de hidrogénio, elementos-chave da infraestrutura energética do futuro.
Instrumentação adequada para estações de enchimento de hidrogénio
Célula de combustível estacionária (PAC estacionária)
As pilhas de combustível estacionárias para produção de energia (PAC estacionárias) utilizam o hidrogénio para produzir eletricidade de forma limpa e eficiente e estão equipadas com uma gama de instrumentos de medição essenciais para otimizar o seu funcionamento e garantir a sua segurança.
Os instrumentos de medição da pressão desempenham um papel crucial na monitorização da pressão do hidrogénio fornecido às células, assegurando que o gás é fornecido a níveis óptimos para a reação eletroquímica. Os sensores de temperatura são também essenciais, uma vez que controlam a temperatura no interior das células de combustível, evitando o sobreaquecimento que poderia danificar os componentes e reduzir a eficiência do sistema.
Os sensores de fluxo asseguram um controlo preciso do fluxo de hidrogénio e oxigénio para as células, o que é vital para manter o equilíbrio correto dos reagentes e maximizar a produção de energia.
Os analisadores de gás são utilizados para monitorizar a qualidade do hidrogénio e detetar quaisquer contaminantes que possam afetar o desempenho ou a vida útil das células. Por fim, as sondas de nível são frequentemente integradas para monitorizar os níveis de hidrogénio armazenado, garantindo um fornecimento contínuo sem interrupção do serviço.
Estes instrumentos de medição são, por conseguinte, essenciais para o funcionamento seguro e eficiente dos PAC estacionários, permitindo a monitorização em tempo real e uma resposta rápida às alterações das condições de funcionamento. A sua utilização assegura que estes sistemas podem fornecer uma fonte de energia fiável e sustentável, apoiando simultaneamente os objectivos ambientais de redução das emissões e de promoção das energias renováveis.
Instrumentação adequada para estações de enchimento de hidrogénio
