JTEC Energy ökar förtroendet för omvandling av spillvärme till el med fuktmätning från Vaisala

När JTEC förbereder sin vätgasbaserade teknik för omvandling av spillvärme till el för driftsättning i fält, tillhandahåller sensorer från Vaisala de mätningar av luftfuktighet och daggpunkt som behövs för att skydda kritiska komponenter, förenkla systemstyrningen och skapa förtroende hos kunderna.

JTEC Energy har utvecklat en innovativ teknik för att omvandla spillvärme till el, med högre effektivitet och vid lägre temperaturer än många konkurrerande återvinningsmetoder för spillvärme. I den här typen av system används vätgas som arbetsvätska, och värmedriven kompressionsteknik kombineras med elektrokemiska celler för att omvandla vätgastryck till elektrisk potential.

Noggrann fuktkontroll är helt avgörande för den här processen. De elektrokemiska cellerna behöver fuktsatt vätgas för att membranen ska fungera optimalt, samtidigt som de metallhydridreaktorer som används i delsystemet för spillvärmeomvandling måste skyddas från alltför hög fuktexponering. För att hantera den här balansen har JTEC tagit fram ett slutet gashanteringssystem som tar bort och återcirkulerar mer än 99,99 procent av den fukt som tillförs systemet.

För att systemet ska fungera tillförlitligt krävs fuktmätning med mycket hög noggrannhet under varierande förhållanden: från höga fuktnivåer vid de elektrokemiska cellerna till de mycket låga daggpunktsnivåer som krävs för att vätgasen ska kunna återföras till reaktorerna på ett säkert sätt. Den här typen av kritiska mätningar måste också kunna utföras med industrisensorer som fungerar i vätgas och under dynamiska tryck- och flödesförhållanden, integrerat med styrsystemen och med efterlevnad av gällande krav för riskområden.

Att skydda kritiska system i krävande vätgasmiljöer

JTEC:s system för omvandling av spillvärme till el består av två delsystem med olika fuktkrav: ett system med elektrokemiska celler som behöver fukt för att fungera effektivt, samt ett system med metallhydridreaktorer som måste skyddas från alltför höga fuktnivåer.

I JTEC:s system tillförs spillvärme till en av metallhydridreaktorerna i delsystemet för spillvärmeomvandling. Metallhydriderna fungerar i det här fallet ungefär som en svamp: när de kyls ned absorberar de vätgas. När de sedan värms upp frigörs vätgasen vid ett tryck som är beroende av temperaturen. I JTEC:s system används den här metoden för att generera vätgastryck som en del av processen för att omvandla spillvärme till el.

Högtrycksvätgasen förs sedan vidare från metallhydridreaktorerna till modulen med JTEC-utvecklade elektrokemiska celler, som då expanderar och genererar el. När cellerna har expanderat förs lågtrycksvätgasen ut från cellerna och återabsorberas till en separat metallhydridreaktor i spillvärmeomvandlingsmodulen, där gasen sedan kan värmas upp, trycksättas och användas på nytt. Därmed har JTEC utvecklat en metod för att omvandla spillvärme till el där en och samma mängd vätgas återanvänds inom en helt sluten krets. Ingen vätgas förbrukas i systemet, och spillvärme är det enda "bränsle" som behövs för att driva det.

När vätgasen förs genom cellerna fuktsätts den, för att membranen i cellerna ska fungera optimalt. En alltför hög fuktnivå kan dock skada metallhydriderna eftersom det bidrar till att oxidlager bildas, vilket gör att vätgasabsorptionen minskar och reaktorprestanda försämras. Det innebär att JTEC måste se till att upprätthålla en tillräckligt hög fuktnivå för att säkra cellernas prestanda, och därefter avfukta vätgasen innan den når reaktorerna.

”Fuktmätning är helt avgörande för JTEC eftersom vi har ett tvådelat system – för att det ska fungera optimalt som en helhet måste vi kunna styra fuktnivån i gasen som passerar mellan de två delsystemen med mycket hög noggrannhet”, säger Julian Bell, vice vd för Engineering på JTEC Energy.

Innan JTEC valde Vaisala som standardlösning använde de konventionella sensorer för fukt- och daggpunktsmätning i sina laboratorier och sitt FoU-arbete. Dessa sensorer var inte alltid tillräckligt robusta för ändamålet, särskilt vid exponering för kondens eller mättnad.

Under forsknings- och utvecklingsarbete kan en mättad luftfuktighetsprob göra att ett experiment måste avbrytas, utrustningen torkas och systemet rengöras innan man kan börja om. I ett fall tog det tre dagar att genomföra ett experiment som normalt skulle ta sex timmar, eftersom sensorn blev mättad innan processen var klar och systemet behövde återställas.

Riskerna med felaktiga eller icke tillförlitliga fuktmätningar blir ännu större när systemet används i produktion: delsystemet för spillvärmeomvandling kan stå för mer än en tredjedel av den totala systemkostnaden och det är i drift hela tiden när systemet körs. En alltför hög fuktexponering kan försämra reaktorsystemets prestanda och kräva att systemet stoppas för underhåll och återställning, vilket kan medföra oacceptabla driftstopp i infrastrukturen för elproduktion. 

”Ärligt talat hade vi inte hittat någon sensor som var tillräckligt bra innan vi vände oss till Vaisala”, säger Julian Bell.

Vaisala som standardval för fukt- och daggpunktsmätning

JTEC började med att testa en Vaisala-daggpunktssensor i ett internt FoU-projekt under 2023. När företaget utvecklade sitt första produktionssystem för ett pilotprojekt i fält valde man Vaisala som standard, tack vare sensorns prestanda vid låg daggpunkt och god kalibreringsstabilitet, tillgänglighet, integrationsflexibilitet och teknisk support.

I JTEC:s produktionssystemarkitektur används Vaisala-sensorer vid tre kritiska mätpunkter för fuktighetsmätning.

Den första punkten är en högfuktighetsmätning, efter det första steget i avfuktningssystemet. Vid denna punkt har vätgasen förts ut från de elektrokemiska cellerna och mycket av fukten har redan avlägsnats. Här använder JTEC en Vaisala HMP7-prob för mätning av relativ luftfuktighet och temperatur för att säkerställa systemprestanda och undvika kondensbildning i ledningen.

Den andra punkten är en låg daggpunktsmätning, i ett senare skede av fukthanteringen. Här avfuktas vätgasen tillbaka ned till specifikationsnivån innan den återförs till metallhydridreaktorerna. På denna punkt använder JTEC en Vaisala DMP370 Ex-klassad sensor. DMP370 har hög stabilitet och noggrannhet, och JTEC har tillsammans med Vaisala börjat undersöka möjligheten att använda sensorer som är godkända för drift i farliga miljöer. På så sätt förbereder sig JTEC för att möta framtida kundbehov i krävande slutanvändningsmiljöer.

Den tredje mätpunkten finns i JTEC-systemets underhållsgrenrör, där gastrycket justeras i olika delar av systemet vid start, avstängning och underhållsarbete. Vaisalas DMT143-daggpunkttransmitter används här för att kontrollera att fukt inte överförs från den våta delen av systemet till den torra delen där kritiska komponenter förses med vätgas.

Implementeringen var väldigt enkel. Sensorerna installerades som en del av hela systemanläggningen och integrerades med JTEC:s styrsystem. För den här typen av dynamiska batchprocesser där tryck, temperatur och flöde kan variera avsevärt under en cykel var det särskilt viktigt med höga mätprestanda, god datatillgänglighet och bra teknisk support.

”Vaisalas automatiska kalibreringsfunktion är mycket viktig, eftersom det ökar tillförlitligheten i mätvärdena. Det är en stor fördel för oss”, säger Julian Bell. ”Vi har också kunnat integrera tryckkompensationsrutiner i våra daggpunktsmätningar med stöd från Vaisalas ingenjörer, och deras expertkunskaper har verkligen gjort skillnad.”

Vaisalas support omfattar mycket mer än själva produktvalet. Vaisala erbjuder stöd från sina forskare på doktorsnivå, som är globala experter inom fuktighetsmetrologi. Deras kontinuerliga rådgivning hjälper teamet att utvärdera fuktmätningar i vätgas vid varierande tryck och låga daggpunktsnivåer.

Detta är särskilt viktigt eftersom fuktmätning i vätgas vid tryck som skiljer sig avsevärt från atmosfäriska förhållanden är ett område där vetenskapen och industrin ännu inte har hela bilden klar för sig. Tack vare den tekniska fackkunskap som Vaisala bistod med kunde JTEC fatta mer välgrundade beslut om hantering av tryckkompensation och mätsäkerhet under den här typen av förhållanden.

”Vaisala har hjälpt oss att förstå vad som är fastställda fakta, vad som är sannolikt och på vilka områden resultaten ännu är osäkra”, säger Julian Bell. ”Tack vare Vaisalas experter och att företaget så generöst låter sina kunder ta del av deras kunskaper har vi kunnat fatta välgrundade beslut om hur dessa mätningar ska utföras.”

Mätsäkerhet vid driftsättning i fält

JTEC förbereder nu ett första produktionssystem för ett pilotprojekt i fält. Tack vare mättekniken från Vaisala kan fuktnivåerna övervakas så pass noggrant att kritiska reaktorkomponenter kan skyddas. JTEC måste till exempel noggrant kontrollera vätgasens fukthalt när den återförs till reaktorerna, vilket gör att mätnoggrannhet, reproducerbarhet och robusthet är centrala faktorer för fältberedskap.

”För att jag ska känna mig trygg med att implementera ett reaktorsystem i den här skalan i ett fältpilotprojekt måste fuktmätningarna i systemet vara så tillförlitliga som det bara är möjligt. Vaisala ger mig den här tryggheten”, säger Julian Bell. ”Det handlar om en så stor investering att vi inte skulle driftsätta reaktorsystemet om vi inte kunde vara helt säkra på fukthalten i den gas som återförs till reaktorerna.”

Vaisala-sensorerna hjälper JTEC med följande:

• Kontrollera avfuktningsprestanda i hela gashanteringssystemet.
• Skydda metallhydridreaktorerna från skadlig fuktexponering.
• Mäta mycket låga daggpunkter med stor noggrannhet och tillförlitlighet.
• Förenkla styrningen med hjälp av stabila och tillförlitliga mätningar.
• Stöd för framtida installationer i riskområden genom Ex-klassade mätningar.
• Användning av samma sensorteknik i både FoU- och produktionsmiljöer.

Vaisalas DMT143-transmittrar används nu standardmässigt som daggpunktsensorer i JTEC:s FoU-verksamhet, och DMT143, HMP7 och DMP370 är standardkomponenter i företagets produktionssystemarkitektur.

För mätningar av låga daggpunkter erbjuder Vaisala DMP370 styrningsfördelar eftersom den ger stabila mätvärden utan de kalibreringsavbrott som krävs i vissa andra mätarkitekturer. 

”Tryggheten i att vi alltid har koll på gasens fuktnivå när den förs ut, i varje moment, gör det ännu lättare att avgöra när det är dags att byta avfuktningskolonn”, säger Julian Bell.

Det tekniska partnerskapet med Vaisala har också påverkat hur JTEC utvärderar sensorleverantörer. Enligt Julian Bell är fuktmätning ett av få områden där JTEC specifikt namnger sensorleverantören när de diskuterar sitt system med kunder, distributörer och tekniska samarbetspartners.

”Vaisala tillhandahåller en av de tre viktigaste sensorerna i hela systemet, och fuktsensorn är den viktigaste sensorn för systemets livslängd”, säger Julian Bell. ”Det är den del av systemen vi är absolut mest nöjda med, och vi letar inte efter andra sensorer.”

Vad är nästa steg inom omvandling av spillvärme till el?

När JTEC nu tar steget från laboratoriet till driftsättning i fält är fuktmätning en central faktor för att visa hur väl ett slutet gashanteringssystem kan fungera. Sensorerna från Vaisala ger den insyn i realtid som behövs för att utvärdera systemets funktion, tack vare möjligheten att mäta såväl de höga fuktnivåerna i början av processen som de låga daggpunktsnivåerna vid utloppet.

Detta hjälper JTEC att skydda reaktorerna och förenkla styrningen, och det bygger förtroende för att systemet klarar fältdrift. JTEC planerar att fortsätta använda Vaisala-sensorer även i framtiden, i takt med att deras produktionssystem skalas upp och ytterligare övervakningsbehov uppstår.

Genom att välja Vaisala som standard har JTEC lagt en stabil grund för fuktmätning som fungerar i fält, med god systemtillförlitlighet och möjligheter till fortsatt tillväxt. Fukt spelar en avgörande roll för att reaktorerna ska hålla, för styrsystemets tillförlitlighet och för kundernas förtroende. Därför är noggrann mätning helt avgörande för möjligheten att introducera och driftsätta en ny teknik för omvandling av spillvärme till el.