グリーン水素製造効率の向上
水素製造の効率化と安全性向上による環境負荷の軽減
グリーン水素の製造には主に電気分解が用いられますが、その効率の低さが課題となっています。この問題を解決するためには、電解効率を高め、グリーン水素の製造コストを削減することが求められます。電流密度、温度、圧力など、電解槽の制御パラメータを微調整することで、エネルギー効率を大幅に改善する可能性があります。これらのパラメータを最適化することで、再生可能エネルギーの消費と部材の劣化を最小限に抑え、グリーン水素の生産量を最大化することが可能となります。
重要な事実
70%
の電気エネルギーが現在、水力発電に使われている。(出典: IEA 2021 report)
水素製造のプロセスフロー図
©Endress+Hauser
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関連するプロセス測定パラメータを示すアルカリ電解槽のプロセスフロー図
関連するプロセス測定パラメータを示すPEM電解槽のプロセスフロー図
©Endress+Hauser
水質管理による電解効率の向上
グリーン水素は、水の電気分解により製造されます。この製造プロセスでは大量の水が必要となり、水資源のサステナブルな利用は、グリーン水素製造における重要な課題となっています。水中に不純物が含まれていると、化学反応が阻害され、結果的にグリーン水素製造の効率が低下する可能性があります。そのため、電解には純水または蒸留水を使用し、不純物を最小限に抑えることが求められます。高純度の水は、逆浸透などの手法を用いて得られます。
この分野の当社の専門知識
次のパラメータを測定することが重要です：レベル、流量、圧力、導電率、pH値。
- 導電率は、水質の安定性を確保するために重要な測定パラメータです。Endress+Hauserのデジタル導電率センサMemosens CLSE16は、データ保存と非接触伝送機能を持つMemosens 2.0テクノロジーを採用しています。これにより、より精度の高い測定が可能となります。
- 流量計を導電性液体の監視に活用することで、電解槽への給水の信頼性を高めることが可能です。Promag W 10は、設置場所に左右されずに測定が可能な、世界初の電磁流量計として注目を集めています。これにより、より正確な監視と管理が可能となります。
- 電解用の水を生成する際には、ろ過や浸透における閉塞を検出するために、圧力の測定が必要となります。Endress+HauserのCerabar PMP51Bは、グリーン水素製造における一連のエラーを軽減するための、信頼性の高いセンサとして、より安定した製造プロセスの実現をサポートします。
- レベル測定は、安定供給、空引きの防止、資源効率の向上に必要不可欠です。Levelflex FMP51は、水素/酸素セパレータに適したレベル計で、腐食性物質に対しても高い耐性を持ち、より確実な管理と効率的な運用が可能となります。
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アルカリ水電解
アルカリ水電解は、電解槽を利用して水を水素と酸素に分離するプロセスです。このプロセスでは、アルカリ性の液体（通常は水酸化カリウム）が電解液として機能し、電気化学反応を助けます。アルカリ水電解は、その効率性とシンプルさから注目を集めており、特に再生可能エネルギーを活用して化石燃料の代わりとなる動力源を求める際に、大量の水素を製造するための有力な技術とされています。
この分野の当社の専門知識
製造効率を向上させ、パフォーマンスを最適化するには、流量、レベル、温度、圧力などのパラメータの測定が必要となります。Endress+Hauserの幅広い製品ラインナップは、これらの重要なパラメータを一括して測定することが可能です。これにより、より精度の高い管理と効率的な運用が実現します。
- 酸素の製造をより効率的に行うためには、Prowirl F 200のような渦流量計が最適です。
- セパレータ内の水位が高まると、電解槽セルのオーバーフローが起こる可能性があります。このような状況を防ぐために、液体用の音叉式レベルリミットスイッチであるLiquiphant FTL51Bが有効です。
- 電解槽の温度は電解反応の速度に大きく影響します。Endress+Hauserの温度センサーiTHERM Moduline TM131を採用することで、電解槽の操作パラメータを最適化することが可能です。
- 導電率は、水質の安定性を保つための重要な測定パラメータです。Endress+Hauserのデジタル導電率センサMemosens CLS16Eは、データ保存と非接触伝送機能を備えたMemosens 2.0テクノロジーを採用しています。これにより、より正確な管理と効率的な運用が可能となります。
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PEM水電解
PEM（プロトン交換膜）電解槽は、アルカリ電解槽と並び、広範囲にわたって利用されている技術です。この技術では、固体高分子電解質膜が採用され、コンパクトな設計と精密な制御が可能となります。これにより、グリーン水素製造において、柔軟性と反応性が要求されるアプリケーションに特に適しています。PEM電解槽のメリットとしては、高い効率、負荷変動に対する迅速な反応、そして分散型アプリケーションへの適応性などが挙げられます。これらの特性により、PEM電解槽は多くの場面で活用されています。
この分野の当社の専門知識
化石燃料の代替として再生可能資源を活用する際、水素の製造効率を最適化するためには、主要なパラメータの測定が欠かせません。Endress+Hauserの計測機器を利用すれば、プロセスの最適化に必要な流量、レベル、温度、圧力などのパラメータを効率的に監視することができ、PEM電解システムの性能を最大限に引き出すことが可能です。これにより、より効率的でサステナブルなエネルギー生産が実現します。
- コリオリ質量流量計は、質量流量の測定において高い精度と信頼性を誇ります。Promass F 300の採用で、PEM電解槽の操作パラメータを最適化することが可能です。
- セパレータのレベル測定により、水素の純度を安定させることができます。Levelflex FMP51は、水素/酸素セパレータに最適なレベル計として活用できます。
- 気体の圧力が均一でない場合、爆発の危険性があります。Endress+Hauserの圧力伝送器Cerabar PMP51Bは、系統的なエラーを削減し、信頼性の高いセンサとであり、より安全な運転が可能となります。
©Adobe Stock/ Grispb
グリーン水素の安全な圧縮と貯蔵
水素は、圧縮や空洞貯蔵を通じて、余剰エネルギーを効率的に保存できる唯一のエネルギー源として広く認識されています。液体有機水素キャリア（LOHC）は、水素の貯蔵および輸送のための新たな手法として注目されています。このアプローチでは、水素が液体有機化合物に化学的に結合するため、ガス状の水素と比較してエネルギー密度が高まります。これにより、より効率的なエネルギー利用が可能となります。
この分野の当社の専門知識
LOHCによる水素貯蔵の可能性に対する関心が増すにつれ、それに関連するプロセスの監視と最適化の重要性も高まっています。Endress+Hauserの高精度センサを使用することで、LOHCシステムの複雑な動きを正確に把握し、水素の貯蔵と出荷のサイクル全体を通じて運用を効率的に管理することが可能となります。これにより、より効率的でサステナブルなエネルギー生産が実現します。
- 正確な圧力測定は、過圧を防ぎ、コンプレッサの寿命を延ばすために必要不可欠です。Endress+Hauserの圧力伝送器Cerabar PMP71Bは、水素の圧縮を精確かつ確実に測定することが可能です。
- 温度は圧縮効率に大きく影響します。Endress+Hauserの温度センサーでiTHERM Moduline TM131を使用は、コンプレッサの効率をリアルタイムで監視します。。
- Endress+Hauserは、水素バリューチェーン全体にわたり、お客様が利用するメータリングスキッドの「ワンストップ」サプライヤーとして活動しています。プロジェクト全体を通じて、Endress+Hauserの専門的な知識と技術を活用することで、信頼性の高い取引と規格や基準への適合性を確保することが可能です。これにより、より効率的でサステナブルなエネルギー生産が実現します。
利点
プロセス計装を活用することで、重要なパラメータに関するリアルタイムデータを取得し、水の電解効率を向上させることが可能です。これにより、過熱やキャビテーションといった問題を回避し、精確な制御を実現できます。気体流量を最適化することで、酸素と水素を効率的に分離することができます。電解液の導電率と純度を監視し、制御することが可能です。圧力損失を検出し、閉塞や漏れを特定することができます。高度なプロセス計装により、予知保全が実現します。
重要な事実
1,000万台
1953年以降、1,000万台もの機器が安全関連のアプリケーションに設置されています。
重要な事実
50%
デジタルMemosens機器により、プロセス稼働時間が50%増加します。
グリーン水素製造の効率向上へのアプローチ
プロセス計装は、主要なプロセスパラメータをリアルタイムに収集し、システム制御を最適化することで、グリーン水素製造の効率化において重要な役割を果たします。
- 温度と圧力の監視・制御により、過熱やキャビテーションを防ぐ
- 気体流量を最適化し、酸素と水素を確実に分離する
- 電解液の導電率と純度を監視・制御する
- 圧力損失を検出し、閉塞や漏れを特定する
- 高度なプロセス計装を用いて予知保全を行う