JTEC Energy、ヴァイサラの水分計測技術で廃熱発電の信頼性を高める

JTECが水素ベースの廃熱発電技術の現場導入に向けて準備を進める中、Vaisalaのセンサは、重要部品の保護、制御の簡素化、顧客の信頼構築に必要な湿度と露点の計測を提供しています。

JTEC Energyは、多くの競合する廃熱回収手法よりも高効率かつ低温度で廃熱を電力に変換する革新的な技術を開発しました。本システムは作動流体として水素を使用し、熱駆動圧縮技術と水素の気圧を電気的なポテンシャルに変換する電気化学スタックを組み合わせています。

厳密な水分管理が不可欠です。電気化学スタックは膜を最適に機能させるために加湿水素を必要とし、廃熱変換サブシステムで使用される金属水素反応器は過剰な水分への曝露から保護する必要があります。そのバランスを管理するために、JTECはシステムに流入する水分の99.99%以上を除去・循環するクローズドループのガス管理システムを開発しました。

このシステムが安定して稼働するためには、電気化学スタックの湿度が高い状態から、水素を安全に反応器に戻すために必要な非常に低い露点レベルまで、あらゆる状態下で高精度な水分計測が必要です。これらの重要な計測は、水素中で動作し、動的な気圧や流量状態に対応し、制御システムと統合し、危険場所要件を満たす産業対応センサで実施します。

過酷な水素環境下での重要システムの保護

JTECの廃熱発電システムは、異なる水分要件を持つ2つのサブシステム（効率よく動作するために水分を必要とする電気化学スタックと、過剰な水分から保護しなければならない金属水素化物反応器）を結合しています。

JTECのシステムでは、廃熱は廃熱変換サブシステム内の金属水素化物反応器の一つに供給されます。金属水素化物は水素のスポンジのように働きます。冷却すると水素を吸収します。加熱すると、温度に応じた気圧で水素が放出されます。JTECのシステムは、この特性を使用して水素気圧を発生させ、廃熱を電力に変換するプロセスの一部としています。

金属水素化物リアクターから高圧水素がスタックモジュールに送られ、JTECの革新的な電気化学スタック内で膨張することで電力が生成されます。この膨張後、低圧水素はスタックを離れ、廃熱変換モジュール内の別の金属水素化物リアクターに吸収され、その後加熱・加圧されて再び発電に使用されます。このプロセスを通じて、JTECは一度充填した水素を完全な閉ループで循環させる廃熱発電技術を開発しました。システムで水素は消費されず、JTECの運転に必要なのは廃熱だけが唯一の「燃料」です。

スタックを通過する際、水素ガスは加湿され、スタック内の膜が最適な性能を発揮できるように保たれます。しかし、過剰な水分にさらされると、酸化物層の形成を促進し、これが水素の吸収を妨げて反応器の性能を低下させるため、金属水素化物が損傷する可能性があります。その結果、JTECはスタックの性能を維持するために十分な水分を保ち、リアクターに到達する前に水素ガス流を乾燥させる必要があります。

「本質的に、湿度計測はJTECにとって極めて重要です。なぜなら、私たちのシステムには非常によく機能する2つの部分がありますが、それらが協調してうまく動作するためには、湿度が両者の間を行き来する際に、非常に厳密に制御できることが必要だからです」とJTEC Energyのエンジニアリング担当副社長、ジュリアン・ベル氏は述べています。

ヴァイサラを標準採用する前は、JTECは実験室や研究開発で従来の相対湿度・露点センサを使用していました。これらのセンサは、用途に対して必ずしも十分な堅牢性を備えているわけではなく、特に結露や飽和状態にさらされる場合にはその傾向が顕著でした。

R&D用途では、湿度プローブが飽和すると、エンジニアは実験を中断し、機器を乾燥させ、システムを清掃し、再び実験を開始せざるを得なくなる場合があります。あるケースでは、センサが実験途中で飽和し、システムをリセットしなければならなかったため、エンジニアは6時間の実験を完了させるのに3日間も費やしました。

不正確または信頼性の低い水分計測によるリスクは、生産システムにおいてさらに高まります。廃熱変換サブシステムがシステム全体のコストの3分の1以上を占めており、システム稼働中は継続的に運転されているためです。過剰な水分曝露は反応器システムの性能を劣化させ、復旧のためにオフラインでのメンテナンスを必要とし、発電インフラに許容できないダウンタイムをもたらします。 

「正直なところ、ヴァイサラに来る前は良いセンサオプションが見つかっていませんでした」とベル氏は語った。

湿度と露点計測におけるヴァイサラの標準採用

JTECは2023年、社内の研究開発プロジェクトで初めてVaisala露点センサの試験導入を行いました。同社が初の生産システムとフィールドパイロットに向けて進む中で、低露点性能、校正安定性、入手可能性、統合の柔軟性、テクニカルサポートに基づき、Vaisalaが最優先の選択肢となりました。

JTECの生産システムアーキテクチャにおいて、ヴァイサラセンサは3つの重要な水分計測ポイントをサポートします。

1つ目は除湿システムの初期段階後の高湿度計測です。その時点で水素は電気化学スタックから離れ、その水分の多くはすでに除去されています。JTECはVaisala HMP7相対湿度・温度プローブを使用してシステムの性能を確認し、配管内の結露防止を支援しています。

2つ目は、水分管理の後半段階後の低露点計測です。この段階で、水素は金属水素化炉に戻す前に仕様まで乾燥しなければなりません。JTECはこのロケーションでVaisala DMP370防爆型センサを使用しています。DMP370の安定性と精度に加え、Vaisalaと協力して危険場所対応センサーへの移行を検討したことで、JTECは厳しい使用環境における将来の顧客要求に備えることができました。

3番目の計測ポイントは、JTECのメンテナンス用マニホールドにあり、起動、停止、メンテナンス作業中にシステムの各部分のガス圧力を調整します。Vaisala DMT143露点トランスミッターは、システムの湿った側から重要な部品に水素を供給する乾燥セクションへ水分が移動しないことを確認するために使用されています。

導入はスムーズでした。センサはより大きなシステムの組立ての一部としてインストールされ、JTECの制御システムと統合されました。気圧、温度、流量がサイクルを通じて大きく変動する動的バッチプロセスにおいては、計測性能、データアクセス性、テクニカルサポートが特に重要でした。

「Vaisalaの自動校正は、返ってくる数字への信頼を高める重要な特長であり、非常に大きなメリットとなっています」とベル氏は述べました。「同時に、Vaisalaのエンジニアのサポートを受けて、気圧補償ルーチンを露点計測に統合することができました。その専門知識が本当に際立っています。」

サポートは製品選択だけにとどまりません。同社は、湿度計測学の世界的専門家であるヴァイサラの博士級科学者へのアクセスを提供しています。専門家による継続的な指導は、チームがさまざまな気圧や低露点レベルでの水素中の水分計測を評価する際に大いに役立っています。

これは特に重要でした。なぜなら、大気圧とは大きく異なる気圧状態下での水素中の水分計測は、科学界や産業界において十分に理解されていないからです。ヴァイサラの技術的専門知識は、JTECがそのような状態下で気圧補正や計測信頼性への対応方法について的確な意思決定を行うのに役立ちました。

「Vaisalaは、何が既知であり、何を自信を持って言えるのか、そしてどこで確信がなくなるのかについて、私たちの理解を深める手助けをしてくれました」とBell氏は語った。「ヴァイサラにはそのような専門家がいて、顧客が専門家にアクセスできるようにしてくれているからこそ、私たちはこれらの計測方法について賢明な判断を下すことができました。」

現場導入における計測の信頼性

JTECが初の量産システムを現場パイロットに導入する準備を進める中、Vaisalaの計測技術によって、重要なリアクター部品を保護するために水分を厳密に管理できるという確信が得られました。例えば、JTECは水素ガスがリアクターに戻る際の水分を厳密に管理する必要があり、計測の精度、再現性、堅牢性が現場導入の鍵となります。

この規模のリアクターシステムを現場試験で運用するには、水分計測に最高レベルの確実性が必要ですが、Vaisalaはその確実性を提供してくれます。「投入する水分の内容を完全に把握しているという100％の自信がなければ、リアクターシステムの運用を正当化できるほどの投資ではありません。」

ヴァイサラのセンサはJTECに以下のように貢献しています。

• ガス管理システム内の水分除去性能の確認
• 金属ハイドライドリアクターを損傷の原因となる水分から保護します。
• 非常に低い露点を確実かつ正確に測定します。
• 安定した、信頼性の高い計測によって制御を簡素化する。
• 防爆認証済み計測によって、将来の危険場所設置を支援します。
• 研究開発および生産環境で一貫したセンサ技術を使用します。

ヴァイサラDMT143変換器は現在、JTECの研究開発部門における標準露点センサであり、DMT143、HMP7、DMP370は同社の生産システムアーキテクチャの標準コンポーネントとして採用されています。

低露点計測において、Vaisala DMP370は、他の計測方式で管理が必要な校正中断が発生せず、安定した計測値を提供するため、制御上の大きな利点があります。 

「どの除湿カラムからどのカラムに切り替えるかを決定する際、排出ガスの水分量を常に直接監視できているとわかっていることで、さらに判断が容易になります」とBell氏は述べました。

Vaisalaとの技術パートナーシップは、JTECがセンサーベンダーを評価する方法にも影響を与えています。ベル氏によれば、JTECが顧客や販売代理店、技術パートナーにシステムについて説明する際、センサのメーカー名を明示する数少ない分野の一つが水分計測だそうです。

「ヴァイサラは、当社システム全体で最も重要な3つのセンサのうちの1つを提供しており、その中でも水分センサはシステムの長寿命化に最も重要なセンサです」とベル氏は述べました。「ここだけは、私たちは非常に満足しており、新しいセンサを探す必要もありません。」

廃熱発電の次の段階の実現

JTECが実験室から現場へと移行する中で、水分計測は閉ループガス管理の性能を実証する中核となります。ヴァイサラセンサは、湿度管理プロセスに入る高湿度レベルと出口の低露点レベルの両方を定量的に把握することで、性能を検証するためのリアルタイムの可視性を提供します。

この可視性は、JTECがリアクターの健全性を保護し、制御を簡素化し、システムが現場運用を支えられるという自信を築くのに役立ちます。今後、JTECは生産システムの規模拡大や新たな監視要件の発生に伴い、ヴァイサラセンサの使用を継続する見込みです。

ヴァイサラ製品を標準として採用することで、JTECは現場導入、システムの信頼性、将来の成長を支える水分計測の基盤を築きました。このような水分がリアクターの状態、制御の信頼性、顧客の信頼を左右する応用では、正確な計測が新しい廃熱発電技術を現場に導入するための重要な役割を果たします。