Thermo Scientific Prima BT and Prima PRO Process Mass Spectrometers Improving production of green hydrogen with fast, precise gas analysis MS

Význam tématu

Rostoucí tlak na dekarbonizaci průmyslu a energetiky učinil z tzv. zeleného vodíku klíčový prvek přechodu k nízkouhlíkové ekonomice. Elektrolytické získávání vodíku poháněné obnovitelnou energií představuje jedinou plně uhlíkově neutrální trasu výroby vodíku. Pro efektivní provoz, škálování a integraci technologie do průmyslových procesů je nezbytná rychlá a přesná analýza výrobních plynů – především stanovení koncentrací H2, O2 a vodní páry, monitorování průniku plynů membránou a detekce degradace elektrolyzéru.

Cíle a přehled studie / článku

Článek popisuje využití procesních hmotnostních spektrometrů Thermo Scientific Prima BT (laboratorní) a Prima PRO (procesní, Ex certifikace) pro analýzu plynů v aplikacích výroby zeleného vodíku. Cílem je předvést schopnosti magnetického sektorového MS při rychlém, přesném a vícebodovém monitorování směsí H2/O2/H2O na různých stupních vývoje – od výzkumu přes pilotní provozy až po megawattová zařízení.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika je založena na magnetické sektorové hmotnostní spektrometrii s následujícími klíčovými prvky:

• Magnetický sektorový analyzátor (Prima BT / Prima PRO) – poskytuje ploché (flat-top) píky, vysoké rozlišení a lepší stabilitu signálu pro nízké hmotnostní čísla (H, H2), čímž se minimalizují chyby způsobené posunem masového měřítka a 'zero blast' typický pro kvadrupólové MS.
• RMS Rapid Multistream Sampler – selektor vzorků (1 z 32 nebo 1 z 64) optimalizovaný pro rychlé přepínání bez velkých mrtvých objemů; možnost ohřevu na 120 °C, optické kódování pozice, digitální záznam průtoku a možnost aplikovat inertní purge (typicky N2) pro ředění hořlavých a reaktivních směsí.
• Detekční systém a software – Faraday detektor a Thermo Scientific GasWorks™ Software podporující neomezený počet komponent na proud a uživatelsky definované výpočty (Derived Values) a průmyslové komunikační protokoly pro integraci do řízení procesu.

Instrumentální parametry a provozní nastavení uvedené v textu zahrnují možnost sledovat široký dynamický rozsah (100 % až <100 ppm) s velmi krátkým analytickým časem (~5 s) a dobou ustálení při změně proudu ~55 s (cyklus měření dvou proudů ~2 minuty). Prima BT je konfigurována pro laboratorní potřeby (např. 15 vzorků + 6 kalibračních portů), Prima PRO je navržena pro průmyslové nasazení (monitorování 60+ reaktorů, ATEX / Zone 1 nebo Class 1 Div 2 varianty).

Hlavní výsledky a diskuse

Hlavní zjištění a pozorování:

• Magnetický sektorový MS poskytuje vyšší přesnost, stabilitu a odolnost vůči driftům než kvadrupólové alternativy. Díky tomu je citlivější a méně náročný na časté kalibrace, zejména při analýze vodíku (H, H2).
• Prima BT/PRO umožnila rychlé sledování koncentrací H2, O2 a H2O v reálném čase, včetně detekce změn spojených s procesními událostmi (např. přetížení separátoru kapalin, účinnost sušení proudu, potřeba častější regenerace sušičky).
• Srovnání s dew-point metrem potvrdilo, že měření obsahu vody hmotnostním spektrometrem korelují s exaktními hodnotami rosného bodu a poskytly dodatečné informace pro optimalizaci procesu sušení.
• Rychlé vícebodové vzorkování (RMS) umožnilo monitorování více stacků a vzorkovacích míst se sníženými náklady a vyšší koherencí dat oproti nasazení více diskrétních analyzátorů.

Ve článku jsou také shrnuty výsledky z příkladových experimentů: měření 70:30 H2:O2 směsi, měření čistého kyslíku z megawattového elektrolyzéru a ukázky laboratorního a procesního zařízení (obrázky jsou v textu, jejich obsah: schéma PEM článku, grafy časových průběhů koncentrací H2/O2/H2O, fotografie zařízení Prima BT a Prima PRO s RMS).

Přínosy a praktické využití metody

Praktické výhody nasazení magnetického sektorového MS v provozech výroby zeleného vodíku:

• Jedno zařízení měří současně H2, O2 a H2O s širokým dynamickým rozsahem, což nahrazuje více diskrétních analyzátorů a redukuje variabilitu mezi přístroji.
• Vysoká přesnost a stabilita umožňují lepší řízení procesu, včasné odhalení průniku plynů membránou, degradace komponent a optimalizace cyklů vysoušení.
• Rychlé odezvy (<5 s analýza, ~55 s ustálení) umožňují sledování dynamických jevů v reálném čase a efektivní řízení většího počtu stacků.
• Možnost průmyslové integrace (komunikační protokoly, Derived Values) a certifikace pro výbušné prostředí usnadňují nasazení v pilotních i komerčních instalacích.
• Bezpečnostní řešení zahrnují inertní ředění v RMS a purge motorového čerpadla k ředění hořlavých směsí.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekávané směry rozvoje a aplikace:

• Škálování měření s rostoucími instalacemi elektrolyzérů – centrální multistream monitoring pro tisíce stacků v průmyslových farmách.
• Propojení MS dat s digitálními platformami průmyslu 4.0 a algoritmy pro prediktivní údržbu a optimalizaci provozu.
• Rozšířené aplikace v průmyslových procesech, které přecházejí na zelený vodík (např. výroba amoniaku, železo a ocel pomocí DRI a EAF), a využití MS pro ověření uhlíkové stopy produktů.
• Další zlepšení hardware a vzorkovacích systémů (vyšší teplotní odolnost, menší doby ustálení, vyšší počet kanálů) a kombinace s dalšími senzory (rosný bod, tlak, teplota) pro holistické řízení procesu.
• Vliv vzniku vysokoteplotních SOEC na analytické požadavky – potřeba monitorovat jiné spektra nečistot a vyšší provozní teploty vzorkovacích vedení.

Závěr

Magnetická sektorová hmotnostní spektrometrie v provedení Prima BT a Prima PRO nabízí pro aplikace výroby zeleného vodíku klíčové výhody: vysokou přesnost, výbornou stabilitu, rychlé vícebodové vzorkování a snadnou integraci do procesního řízení. Tyto vlastnosti z ní činí vhodnou technologii pro přechod od výzkumu k pilotním i plně komerčním provozům, kde je vyžadována spolehlivá kontrola složení plynů a optimalizace účinnosti elektrolyzérů.

Reference

1. European Commission. Energy policy. (Informace o politikách EU v oblasti energie)
2. International Energy Agency. Iron and Steel Technology Roadmap. October 2020.
3. US Department of Energy, Office of Energy Efficiency & Renewable Energy. Hydrogen Shot. 7 June 2021.