gesponsertMesstechnik für die Dekarbonisierung Grundlagen der CO₂-Messung für Carbon Capture and Storage

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Krohne Messtechnik GmbH

Carbon Capture and Storage (CCS) ist eine Schlüsseltechnologie im Kampf gegen den Klimawandel. Durch die Abscheidung und Speicherung von CO₂ können Emissionen in energieintensiven Industrien erheblich reduziert werden. Verschiedene Technologien zur CO₂-Messung, wie Ultraschall-, Coriolis-, Differenzdruck- und Wirbelfrequenz-Durchflussmessgeräte, haben jeweils ihre eigenen Stärken und Schwächen. Der Beitrag bietet eine Einordnung.

Carbon Capture and Storage (CCS) wird eine entscheidende Rolle bei der Energiewende spielen. Die Nutzung verschiedener neuer Prozesse ermöglicht es die CO₂-Emissionen großer Emittenten zu reduzieren. Dazu zählen beispielsweise die Produktion von grauem Wasserstoff und Gas oder kohlebefeuerte Kraftwerke. Des Weiteren kann die Abscheidung von CO₂ die Emissionen von Prozessen wie der Abfallverbrennung und dem Kalzinierungsprozess bei der Zementherstellung verringern, die als schwer zu reduzieren gelten.

Das abgeschiedene CO₂ wird zur Speicherung an spezialisierte Unternehmen übergeben. Eine präzise Messung des abgeschiedenen CO₂ ist unerlässlich, um die Menge korrekt zu erfassen und sicherzustellen, dass die erzielten Emissionsminderungen exakt nachgewiesen werden können. Obwohl die Messung von CO₂ bereits in verschiedenen Prozessen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie in der Öl- und Gasindustrie etabliert ist, stellt die Messung im CCS-Kontext aufgrund der Transportwege, welche häufig in flüssiger oder überkritischer Phase erfolgen besondere Herausforderungen dar.

CO₂ existiert in vier Phasen: fest, gasförmig, flüssig und überkritisch. Zum Beispiel liegt es bei 58 bar und 20 °C flüssig vor, aber schon eine geringfügige Druckreduzierung führt dazu, dass es gasförmig wird. Diese Phasenübergänge verändern die Dichte des CO₂ erheblich, was die Messgenauigkeit beeinträchtigen kann. Dies stellt spezifische Anforderungen an die Durchflussmessgeräte, die in CCS-Anlagen verwendet werden.

Herausforderungen bei der Ultraschall-Durchflussmessung

Das Ultraschallprinzip kann für CO₂ in gasförmiger, flüssiger oder überkritischer Phase genutzt werden. Jedoch beeinflusst die Phase des CO₂ die Ausbreitung des akustischen Signals. Das Design der Wandler muss an die jeweilige Phase angepasst sein, und die Messung sollte ausreichend entfernt von Phasenübergangszonen erfolgen, um die Genauigkeit zu gewährleisten. Eine weitere Herausforderung ist der molekulare thermische Relaxationseffekt von CO₂, der bewirkt, dass das CO₂-Molekül das Ultraschallsignal „absorbiert“ und die Messung erschwert.

Da eine spezifische Kalibrierung für CO₂ schwierig ist, werden Ultraschall-Durchflussmessgeräte in der Regel mit Wasser, Luft oder Erdgas kalibriert. Bei Bedarf kann eine Kalibrierung auf der Grundlage der Reynolds-Zahl durchgeführt werden, so dass die Bedingungen während der Kalibrierung den Bedingungen im Feld so weit wie möglich entsprechen. Die Verwendung von Wasser mit (~8-mal) höheren Durchflussraten ergibt ähnliche Reynolds-Zahlen wie flüssiges CO₂ mit niedrigeren Durchflussraten. Eine weitere Möglichkeit ist die Erhöhung der Wassertemperatur, um die Viskosität zu verringern. Bei Bedarf kann die auf Wasser basierende Reynolds-Kurve extrapoliert werden, wie dies bei LNG-Durchflussmessern im eichpflichtigen Verkehr geschieht, die mit Wasser kalibriert werden.

Herausforderung für Coriolis-Masse-Geräte

Coriolis-Masse-Durchflussmessgeräte bieten eine hohe Messgenauigkeit in den Zuständen flüssiger, gasförmiger und überkritischer Phase und sind auch für mehrphasige Bedingungen geeignet. Allerdings können plötzliche Dichteänderungen, insbesondere in der Nähe von kritischen Punkten oder bei Phasenübergängen, die Genauigkeit der Messung beeinträchtigen. Trotz der Kalibrierung mit Wasser bieten Coriolis- Durchflussmessgeräte den Vorteil, dass sie eine direkte Massenmessung ermöglichen und nicht von den spezifischen Eigenschaften des Fluids abhängig sind.

Herausforderungen bei Differenzdruck-Messung (DP)

Differenzdruck-Durchflussmessgeräte wie Venturi-Rohre oder Blenden werden seit über 100 Jahren verwendet. Sie sind nicht von der akustischen Dämpfung von CO₂ betroffen und funktionieren über einen weiten Temperatur- und Druckbereich. Allerdings erfordern Volumenmessungen zusätzliche Temperatur- und Druckkorrekturen, um den Massenfluss korrekt zu berechnen. Diese Durchflussmessgeräte werden oft mit Flüssigkeiten oder Gasen kalibriert und bieten zusätzliche Informationen über Veränderungen des Fluidzustands.

Herausforderungen bei Vortex-Durchflussmessgeräten

Vortex- bzw. Wirbelfrequenz-Durchflussmessgeräte können eine breite Palette von Medien, darunter industrielle Gase und Dampf, verarbeiten. Allerdings stellt die Messung von gasförmigem CO₂ aufgrund schwankender Prozessbedingungen eine Herausforderung dar, da diese Bedingungen die Dichte des Gases beeinflussen und somit die Genauigkeit der Durchflussberechnung erschweren. Wirbelfrequenz-Durchflussmessgeräte sind mit Temperatursensoren ausgestattet und verfügen optional auch über Drucksensoren, um Temperatur- und Druckschwankungen auszugleichen, die die Messung beeinflussen. In frühen CCS-Projekten, wie in der Zementproduktion, werden Wirbelfrequenz-Durchflussmessgeräte eingesetzt, um gasförmiges CO₂ präzise zu messen.

Weitere Überlegungen

Abgeschiedenes CO₂ enthält oft andere Gase wie Stickstoff oder Sauerstoff, was zu mehrphasigem Durchfluss führen und die Messung erschweren kann. Freies Wasser im CO₂ kann zu Korrosion durch Kohlensäure führen. Die Wahl des richtigen Durchflussmessgeräts hängt von der spezifischen Anwendung ab: Coriolis- Durchflussmessgeräte bieten eine direkte Massemessung, Ultraschallmessgeräte sorgen für geringen Druckverlust, und DP-Messgeräte bewältigen weite Temperatur- und Druckbereiche.

Die Messstandards für CO₂-Messungen hinken der CCS-Technologie derzeit noch hinterher. Beispielsweise ist gasförmiges CO₂ nicht durch die europäische Norm MID MI-002 abgedeckt, welche brennbare Gase regelt. Auch genehmigte Korrekturtabellen zur Umrechnung von Volumen in Masse sind nicht immer verfügbar. Unternehmen wie Krohne arbeiten jedoch eng mit lokalen Metrologie-Organisationen zusammen, um diese Lücken zu schließen und die Genauigkeit der Messungen sicherzustellen.

Fazit : Mit der fortschreitenden Entwicklung der CCS-Technologie ist es unerlässlich, dass auch die Messtechnik und die regulatorischen Standards weiterentwickelt werden. Nur so kann sichergestellt werden, dass die CO₂-Emissionen zuverlässig gemessen und dokumentiert werden, um die langfristigen Klimaziele zu erreichen. Durch die enge Zusammenarbeit zwischen Industrie, Wissenschaft und Regulierungsbehörden können diese Herausforderungen gemeistert werden, um CCS zu einer Schlüsselkomponente der globalen Klimastrategie zu machen.

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