JTEC Energy rakentaa luottamusta hukkalämmön muuntamiseen sähköksi Vaisalan kosteusmittauksen avulla

Kun JTEC valmistelee vetypohjaista hukkalämmön sähköksi muuntavaa teknologiaansa kenttäkäyttöön, Vaisalan anturit tuottavat kosteus- ja kastepistemittaukset, joita tarvitaan kriittisten komponenttien suojaamiseen, ohjauksen yksinkertaistamiseen ja asiakkaiden luottamuksen rakentamiseen.

JTEC Energy on kehittänyt uuden teknologian, joka muuntaa jätelämmön sähköenergiaksi korkeammalla hyötysuhteella ja matalammissa lämpötiloissa kuin monet kilpailevat jätelämmön talteenottomenetelmät. Järjestelmä käyttää vetyä työaineena ja yhdistää lämpöön perustuvan puristusteknologian sähkökemiallisiin kennostoihin, jotka muuntavat vedyn paineen sähköpotentiaaliksi.

Kosteuden tarkka hallinta on tässä prosessissa välttämätöntä. Sähkökemiallinen kennosto tarvitsee kostutettua vetyä kalvojen optimaalisen toiminnan varmistamiseksi, kun taas hukkalämmön muuntojärjestelmän metallihydridireaktorit on suojattava liialliselta kosteudelta. Tämän tasapainon hallitsemiseksi JTEC kehitti suljetun piirin kaasunhallintajärjestelmän, joka poistaa ja kierrättää yli 99,99 prosenttia järjestelmään tuodusta kosteudesta.

Jotta järjestelmä toimisi luotettavasti, JTEC edellyttää erittäin tarkkaa kosteuden mittausta olosuhteissa, jotka vaihtelevat sähkökemiallisen pinon korkeasta kosteudesta niihin hyvin alhaisiin kastepistearvoihin, joita vaaditaan, ennen kuin vety voidaan turvallisesti palauttaa reaktoreihin. Nämä kriittiset mittaukset on myös suoritettava teollisuuskäyttöön soveltuvilla antureilla, jotka kykenevät toimimaan vedyssä, tukevat dynaamisia paine- ja virtausolosuhteita, integroituvat ohjausjärjestelmiin sekä täyttävät räjähdysvaarallisten alueiden vaatimukset.

Kriittisen järjestelmän suojaaminen vaativassa vety-ympäristössä

JTEC:n jätelämmöstä sähköksi muuntamisen järjestelmä yhdistää kaksi alijärjestelmää, joilla on erilaiset kosteusvaatimukset: elektrokemiallisen kennoston, joka tarvitsee kosteutta toimiakseen tehokkaasti, ja metallihydridireaktorit, jotka on suojattava liialliselta kosteudelta.

JTECin järjestelmässä hukkalämpö johdetaan yhteen hukkalämmön muunto-osajärjestelmän metallihydridireaktoreista. Metallihydridit toimivat vedylle hieman sienen tavoin. Jäähtyessään ne imevät vetyä. Kuumennettaessa ne vapauttavat vetyä paineessa, joka määräytyy lämpötilan mukaan. JTEC:n järjestelmä hyödyntää tätä vetypaineen tuottamiskykyä osana prosessia, jossa hukkalämpö muunnetaan sähköksi.

Metallihydridireaktoreista korkeapaineinen vety johdetaan kennostomoduuliin, jossa vedyn laajentuminen JTEC:n innovatiivisissa elektrokemiallisissa kennostossa tuottaa sähköenergiaa. Tämän laajentumisen jälkeen matalapaineinen vety poistuu elektrokemiallisesta kennostosta ja voidaan absorboida takaisin erilliseen metallihydridireaktoriin jätelämmön muunnosmoduulissa, jossa se myöhemmin lämmitetään, paineistetaan ja käytetään uudelleen sähkön tuottamiseen. Tämän prosessin pohjalta JTEC on kehittänyt jätelämmön muunnosteknologian, joka kierrättää yhtä vetylatausta täysin suljetussa kierrossa: järjestelmä ei kuluta vetyä, ja hukkalämpö on ainoa "polttoaine", jota järjestelmä tarvitsee toimiakseen.

Vetykaasu kosteutetaan sen kulkiessa elektrokemiallisten kennojen läpi, jotta kennojen kalvot toimivat optimaalisesti. Liiallinen altistuminen vedelle voi vahingoittaa metallihydridejä edistämällä oksidikerrosten muodostumista, mikä rajoittaa vedyn absorptiota ja heikentää reaktorin suorituskykyä. Tämän vuoksi JTEC:n on ylläpidettävä riittävää kosteutta elektrokemiallisen kennoston suorituskyvyn varmistamiseksi ja kuivattava vetyvirta ennen sen saapumista reaktoreihin.

"Pohjimmiltaan kosteuden mittaus on JTEC:lle tärkeää siksi, että järjestelmässämme on kaksi osaa, jotka toimivat hyvin, mutta jotta ne toimisivat hyvin yhdessä, meidän täytyy pystyä hallitsemaan kosteutta niiden välillä todella tarkasti", sanoo JTEC Energyn tekninen johtaja Julian Bell.

Ennen kuin JTEC alkoi käyttää vakiona Vaisalan antureita, se käytti laboratorio- ja tuotekehitystyössään tavanomaisia suhteellisen kosteuden ja kastepisteen antureita. Nämä anturit eivät aina olleet riittävän luotettavia tähän sovellukseen – varsinkaan silloin, kun ne altistuivat kondensaatiolle tai saturaatiolle.

Tuotekehityssovelluksissa saturoitunut kosteusmittapää saattoi pakottaa insinöörit keskeyttämään kokeen, kuivaamaan laitteet, puhdistamaan järjestelmän ja aloittamaan kokeen uudelleen. Eräässä tapauksessa insinööri käytti kolme päivää yrittäessään saada kuuden tunnin kokeen valmiiksi, koska anturi saturoitui kesken testin ja insinöörin piti nollata järjestelmä.

Epätarkkojen tai epäluotettavien kosteusmittausten aiheuttamat riskit ovat tuotantojärjestelmässä vielä suuremmat, sillä hukkalämmön muunto-osajärjestelmä voi muodostaa yli kolmanneksen järjestelmän kokonaiskustannuksista ja on jatkuvasti toiminnassa järjestelmän käydessä. Jos reaktorijärjestelmä altistuu liialliselle kosteudelle, sen suorituskyky heikkenee ja järjestelmä täytyy huoltaa offline-tilassa toimintakyvyn palauttamiseksi. Tämä aiheuttaa tuotantoinfrastruktuurille käyttökatkon, mikä ei ole hyväksyttävää. 

"Totuuden nimissä emme olleet löytäneet hyvää anturivaihtoehtoa, ennen kuin otimme yhteyttä Vaisalaan", Bell sanoi.

Vaisala kosteus- ja kastepistemittausten standardiratkaisuna

JTEC testasi Vaisalan kastepisteanturia ensimmäisen kerran sisäisessä tuotekehitysprojektissa vuonna 2023. Kun yritys eteni kohti ensimmäistä tuotantojärjestelmäänsä ja kenttäpilottia, Vaisala valittiin ensisijaiseksi ratkaisuksi alhaisten kastepisteiden luotettavan mittauksen, kalibroinnin vakauden, hyvän saatavuuden, joustavien integrointimahdollisuuksien ja teknisen tuen perusteella.

JTEC:n tuotantojärjestelmäarkkitehtuurissa Vaisalan anturit huolehtivat kolmesta kriittisestä kosteuden mittauspisteestä.

Ensimmäinen mittaus tehdään korkeassa kosteudessa kuivatusjärjestelmän alkuvaiheen jälkeen. Tässä vaiheessa vety on poistunut sähkökemiallisesta kennostosta ja suuri osa sen kosteudesta on jo poistettu. JTEC käyttää Vaisalan suhteellisen kosteuden ja lämpötilan anturia HMP7 varmistaakseen järjestelmän suorituskyvyn ja ehkäistäkseen kondensaation muodostumista linjalla.

Toinen on alhaisen kastepisteen mittaus kosteudenhallinnan myöhempien vaiheiden jälkeen. Tässä vaiheessa vety täytyy kuivata teknisten määritysten mukaisesti ennen palauttamista metallihydridireaktoreihin. JTEC käyttää tässä mittauspisteessä Vaisalan Ex-luokiteltua anturia DMP370. DMP370:n vakauden ja tarkkuuden lisäksi Vaisalan tuki anturiratkaisujen suunnittelussa on auttanut JTEC:tä valmistautumaan tulevien asiakkaiden vaatimuksiin vaativissa käyttöympäristöissä, myös räjähdysvaarallisissa tiloissa.

Kolmas mittauspiste sijaitsee JTEC:n huoltojakoputkessa, joka säätelee kaasujen painetta eri osissa järjestelmää käynnistyksen, sammutuksen ja huoltotoimenpiteiden aikana. Vaisala DMT143 ‑kastepistelähetintä käytetään varmistamaan, ettei kosteutta siirry järjestelmän märältä puolelta kuiviin osiin, jotka syöttävät vetyä kriittisiin komponentteihin.

Toteutus oli suoraviivainen. Anturit asennettiin osaksi suurempaa järjestelmäkokoonpanoa ja integroitiin JTEC:n ohjausjärjestelmään. Dynaamisessa eräprosessissa, jossa paine, lämpötila ja virtaus voivat vaihdella merkittävästi syklin aikana, mittauksen suorituskyky, tietojen saatavuus ja tekninen tuki olivat erityisen tärkeitä.

“Vaisalan automaattikalibrointi on keskeinen ominaisuus, joka lisää luottamustamme saamaamme mittaustulokseen, ja siitä on ollut meille valtavasti hyötyä”, Bell sanoi. “Samaan aikaan olemme pystyneet integroimaan painekompensointirutiineja kastepistemittauksiimme Vaisalan asiantuntijoiden tuella, ja heidän osaamisensa näkyy siinä todella selvästi.”

Vaisalan tuki ulottuu tuotevalintaa pidemmälle. Yritys tarjoaa käyttöön Vaisalan tohtoritason tutkijoiden osaamisen. He ovat kosteuden metrologian kansainvälisiä huippuasiantuntijoita. Heidän jatkuva ohjauksensa auttaa tiimiä arvioimaan kosteusmittausta vedyssä vaihtelevissa paineissa ja alhaisilla kastepistetasoilla.

Tämä on erityisen tärkeää, koska tiedeyhteisössä ja teollisuudessa ei täysin ymmärretä, miten vedyn kosteuden mittaaminen toimii paineissa, jotka eroavat huomattavasti ilmakehän paineista. Vaisalan tekninen osaaminen auttoi JTEC:tä tekemään perusteltuja päätöksiä siitä, miten lähestyä paineen kompensointia ja mittausten luotettavuuden varmistamista näissä olosuhteissa.

"Vaisala auttoi meitä ymmärtämään, mitä tiedetään, mitä voidaan varmuudella todeta ja missä kohtaa varmuus heikkenee", Bell sanoi. "Juuri siksi, että Vaisalalla on tällaisia asiantuntijoita ja he ovat valmiita tarjoamaan asiantuntemustaan asiakkaille, pystyimme tekemään järkeviä päätöksiä näiden mittausten suorittamisesta."

Luotettavat mittaukset kenttäkäyttöön

Kun JTEC valmistautuu ensimmäisen tuotantojärjestelmänsä käyttöönottoon kenttäpilotissa, Vaisalan mittausteknologia antaa yritykselle varmuuden siitä, että se pystyy valvomaan kosteutta riittävän tarkasti suojatakseen reaktorin kriittisiä komponentteja. JTEC:n on esimerkiksi hallittava tarkasti vetykaasun kosteuspitoisuutta sen palatessa reaktoreihin, mikä tekee mittaustarkkuudesta, toistettavuudesta ja luotettavuudesta keskeisiä asioita kenttävalmiuden kannalta.

“Tarvitsen mahdollisimman suuren varmuuden kosteusmittauksiini, jotta voin luottavaisin mielin käyttää tämän kokoluokan reaktorijärjestelmää kenttäpilotissa, ja Vaisala tarjoaa juuri tämän varmuuden”, Bell sanoi. “Reaktorijärjestelmään tehty investointi on liian suuri, jotta sitä voisi perustellusti käyttää ilman täyttä varmuutta siitä, millaista kosteuspitoisuutta reaktoreihin palautetaan.”

Vaisalan anturit auttavat JTEC:tä seuraavin tavoin:

• Varmistetaan kosteuden poiston toimivuus koko kaasunhallintajärjestelmässä.
• Suojataan metallihydridireaktoreita vahingolliselta kosteudelta.
• Mitataan hyvin alhaiset kastepisteet tarkasti ja luotettavasti.
• Yksinkertaistetaan ohjausta stabiileilla ja luotettavilla mittauksilla.
• Tuetaan tulevia räjähdysvaarallisten alueiden asennuksia Ex-luokiteltujen mittausten avulla.
• Käytetään samaa anturiteknologiaa tutkimus- ja kehitys- sekä tuotantoympäristöissä.

Vaisala DMT143 -lähettimet ovat nykyään vakiokastepisteantureita JTEC:n tuotekehitystoiminnoissa, ja DMT143, HMP7 ja DMP370 ovat vakiokomponentteja yrityksen tuotantojärjestelmäarkkitehtuurissa.

Vaisala DMP370 tarjoaa ohjausetua alhaisen kastepisteen mittauksissa tuottamalla stabiilit mittaustulokset ilman kalibrointikatkoksia, jollaisista muissa mittausarkkitehtuureissa täytyy kantaa huolta. 

“Kun päätämme, milloin siirrymme yhdestä kuivauskolonnista toiseen, tieto siitä, ettei ole koskaan hetkeä, jolloin meillä ei olisi suoraa näkyvyyttä poistuvan kaasun kosteuspitoisuuteen, tekee päätöksenteosta meille entistä helpompaa”, Bell sanoi.

Vaisalan tekninen kumppanuus on myös vaikuttanut siihen, miten JTEC arvioi anturitoimittajia. Bellin mukaan kosteuden mittaus kuuluu niihin harvoihin osa-alueisiin, joihin liittyen JTEC mainitsee anturitoimittajan nimeltä keskustellessaan järjestelmästä asiakkaiden, jakelijoiden ja teknisille yhteistyökumppaneiden kanssa.

"Vaisala toimittaa yhden kolmesta tärkeimmästä anturista koko järjestelmässämme, ja kosteusanturi on kaikista tärkein järjestelmän pitkäikäisyyden kannalta", Bell sanoi. "Tämä on se osa-alue, jolla olemme niin tyytyväisiä kuin vain voimme olla, emmekä etsi uusia antureita."

Mahdollistetaan seuraava vaihe jätelämmön muuntamisessa sähköksi

Kun JTEC siirtyy laboratoriosta kentälle, kosteuden mittaaminen on keskeistä suljetun kierron kaasunhallintamenetelmän suorituskyvyn osoittamisessa. Vaisalan anturit tarjoavat suorituskyvyn varmistamiseen tarvittavan reaaliaikaisen näkyvyyden, sillä ne mittaavat sekä kosteudenhallintaprosessiin saapuvat korkeat kosteustasot että ulos virtaavan kaasun alhaiset kastepisteet.

Näkyvyys auttaa JTEC:tä suojaamaan reaktorin kuntoa, yksinkertaistamaan ohjausta ja vahvistamaan luottamusta siihen, että järjestelmä toimii kenttäkäytössä. Tulevaisuudessa JTEC aikoo jatkaa Vaisalan antureiden käyttöä tuotantojärjestelmien laajentuessa ja uusien valvontatarpeiden ilmaantuessa.

Standardoimalla Vaisalan ratkaisuihinsa JTEC on luonut kosteusmittauksen perustan, joka tukee kenttäkäyttöönottoja, järjestelmän luotettavuutta ja tulevaa kasvua. Sovelluksessa, jossa kosteus voi määrittää reaktorin kunnon, ohjauksen luotettavuuden ja asiakkaiden luottamuksen, tarkka mittaus on keskeinen mahdollistaja uuden hukkalämmön sähköksi muuntavan teknologian tuomisessa kenttäkäyttöön.