gesponsertDurchflussmessung in der Wasserstoffindustrie Wasserstoff messen – Tipps zur Auswahl des richtigen Messverfahrens

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Krohne Messtechnik GmbH

Auf dem Einsatz von grünem Wasserstoff liegen große Hoffnungen. Dies erfordert jedoch nicht nur neue Verfahren, Anlagen und Komponenten, sondern auch einen neuen Blick auf die Messtechnik. Ob Ultraschall, Coriolis oder Schwebekörper – jedes Durchfluss-Messverfahren hat Vor- und Nachteile.

Schon immer ist Wasserstoff ein wichtiger Ausgangsstoff für Raffinerien und die chemische Industrie gewesen. Doch nun bekommt die Nummer 1 im Periodensystem der Elemente eine neue Rolle zugewiesen: Grüner Wasserstoff, der aus erneuerbaren Energien in Kombination mit der Wasserelektrolyse erzeugt wird, soll zukünftig eine wichtige Rolle in der Energiewende spielen. Als großer „Hoffnungsträger“ soll er fossile Brennstoffe z. B. in der Stahlproduktion ersetzen und somit zur Dekarbonisierung der Industrie beitragen.

Andere Bereiche, in denen Wasserstoff die Dekarbonisierung vorantreiben kann, sind Anwendungen im Bereich der Langstrecken- und Schwerlastmobilität sowie die saisonale Speicherung erneuerbarer Energie. Um diese Anwendungen zu bedienen, werden im Augenblick hohe Investitionen in die Infrastruktur für die Produktion, den Transport und die Speicherung von Wasserstoff getätigt. Mit dem wachsenden Umfang der Wasserstoffwirtschaft steigt zugleich auch der Bedarf an Prozess- und eichamtlichen Messungen von Wasserstoff. Für die Messung von Wasserstoff gibt es unterschiedliche Messverfahren, jedes davon hat seine Vor- und Nachteile.

Leichtes Gas – große Herausforderungen

Wasserstoff wird nur bei sehr niedrigen Temperaturen flüssig. Bei Umgebungsdruck verflüssigt er sich bei -253 °C (-423 °F), was nur 20 °C (36 °F) über dem absoluten Nullpunkt liegt. Des Weiteren ist Wasserstoff mit einem Molekulargewicht von 2 g/Mol das leichteste Element im Periodensystem und hat daher eine sehr niedrige Dichte – rund achtmal niedriger als bei Erdgas. Zugleich ist jedoch die Schallgeschwindigkeit, die etwa um den Faktor 3 höher ist als bei Erdgas, sehr hoch.

In Bezug auf den Energiegehalt von Wasserstoff ergibt sich daraus eine interessante Situation: eine sehr hohe Energiedichte pro Masseneinheit bei gleichzeitig niedriger Energiedichte pro Volumeneinheit (etwa um den Faktor 3 niedriger als bei Erdgas). Daher liegt der Druck von Wasserstoff für Mobilitätsanwendungen bei 350 bis 700 bar (5075 bis 10150 psig). In vielen andere Anwendungen – z. B. in industriellen Prozessen, in Elektrolyseuren und im Transport in Pipelines – wird Wasserstoff bei moderaten Drücken von 30 bis 60 bar (435 bis 870 psig) eingesetzt.

Unterschiedliche Verfahren für die Durchflussmessung

Der Durchfluss von Wasserstoff wird in der Regel als Volumen oder als Masse gemessen. Die drei für diese Aufgabe am häufigsten verwendeten Durchflussmessverfahren sind Ultraschall, Coriolis und Schwebekörper. Jede Technologie bietet individuelle Vorteile, aber auch einige Herausforderungen. Für die eichpflichtige Messung von Wasserstoff werden in der Regel Ultraschall- oder Coriolis-Durchflussmessgeräte verwendet.

Messung auch in großen Leitungen

Ultraschall-Durchflussmessgeräte bieten einen vernachlässigbaren Druckabfall und sind mit vollem Durchgang (ohne Einschnürungen) bis hin zu sehr großen Leitungen erhältlich. Die Zähler werden im Allgemeinen nicht durch pulsierende Strömung beeinträchtigt und haben keine rotierenden oder beweglichen Teile, die verschleißen.

Aufgrund der geringen Dichte von Wasserstoff ist es für das Ultraschallsignal relativ schwierig, sich zwischen dem sendenden und dem empfangenden Wandler zu bewegen, da die akustische Kopplung zwischen dem Wandler und dem Wasserstoffgas weniger effizient ist. Dies führt im Vergleich zu Erdgas zu einem geringeren Signal-Rausch-Verhältnis. Bei Umgebungsdruck ist es noch möglich, Ultraschall-Durchflussmessungen an Wasserstoffgas durchzuführen; mit steigendem Druck nimmt das Signal-Rausch-Verhältnis zu.

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Die hohe Schallgeschwindigkeit von Wasserstoff führt zu sehr kurzen Laufzeiten des Ultraschallsignals zwischen den Messwertaufnehmern und zu einem großen Öffnungswinkel des Ultraschallstrahls. Aufgrund der kurzen Laufzeit muss der empfangende Wandler rechtzeitig bereit sein, um das Signal vom sendenden Wandler zu empfangen. Dies wird durch die Einstellung der Elektronik ermöglicht, um das Zeitfenster für den Empfang vorzuverlegen. Der große Öffnungswinkel kann insbesondere bei Rohren mit kleinem Durchmesser zu Übersprechen (Crosstalk) führen. Durch die Auswahl von Messwertaufnehmern mit höherer Frequenz kann das Übersprechen beseitigt werden.

Da es noch keine speziellen Einrichtungen für die Wasserstoff-Durchflusskalibrierung gibt, werden Durchflussmessgeräte in der Regel mit Wasser, Luft oder Erdgas kalibriert. Bei Ultraschall-Durchflussmessergeräten, die sich auf das Strömungsprofil im Messgerät stützen, kann eine Kalibrierung auf der Grundlage der Reynolds-Zahl vorgenommen werden. Auf diese Weise sind die Durchflussprofile während der Kalibrierung ähnlich wie im Feld. Beispielsweise können die Reynoldszahlen, die bei einer Wasserstoffanwendung zu beobachten sind, durch die Kalibrierung eines Durchflussmessgeräts für Erdgas bei einer achtmal geringeren Durchflussmenge oder einem geringeren Druck erreicht werden. Unter Berücksichtigung einiger anderer Effekte kann die Kalibrierung für Erdgas auf Wasserstoffanwendungen übertragen werden.

Hochgenaue Messung mit Coriolis

Coriolis-Zähler bieten eine hochgenaue Messung von Masse, Dichte und Volumenstrom in Leitungsgrößen DN 02...400 / ½...16". Durch die direkte Massemessung werden die Zähler nicht durch Strömungsprofile beeinflusst und messen auch bei Mehrphasenströmungen. Bei der Messung von Gasen – insbesondere von Wasserstoff mit geringer Dichte – sollte darauf geachtet werden, dass die Mindestdichte des Zählers eingehalten wird, um die Leistung des Durchflussmessgeräts zu gewährleisten. In der Praxis bedeutet dies, dass ein Mindestdruck erforderlich ist.

Da Coriolis-Messgeräte die Masse durch ein oder mehrere in Schwingung versetzte Rohre messen, haben Coriolis-Messgeräte auch einen maximalen Betriebsdruck, der auf diesen relativ dünnwandigen Rohren basiert. Höhere Drücke (typischerweise über 200 bar) erfordern dickere Rohre, die schwieriger in Schwingung zu versetzen sind, wodurch das Coriolis-Messgerät an Genauigkeit verlieren kann.

Coriolis-Messgeräte werden nicht durch Strömungsprofile beeinflusst. Um die höchste Leistung und Genauigkeit des Messgeräts zu gewährleisten, werden sie in der Regel mit Wasser gegen eine hochpräzise Waage kalibriert, die auf einer Kalibriereinrichtung basiert. Es ist nicht notwendig, Kalibrierungen mit einer Flüssigkeit durchzuführen, die der in der Endanwendung verwendeten Flüssigkeit ähnlich ist. Bei Krohne wird diese Methode bei der Herstellung aller Coriolis-Massedurchflussmessgeräte angewandt und wird von Anwendern und Zertifizierungsstellen weitgehend akzeptiert. Um ein Durchflussmessgerät mit einer akkreditierten Messunsicherheit von ±0,05 Prozent zu kalibrieren, sind die großen Massedurchfluss-Kalibrieranlagen in der Coriolis-Produktion von Krohne in Wellingborough/UK, von der britischen Metrologiebehörde UKAS (Kalibrierlabor 0812) mit einer Unsicherheit von weniger als 0,017 Prozent akkreditiert.

Lokale Durchflussmessung ohne Hilfsenergie

Schwebekörper-Durchflussmesser ermöglichen eine einfache und kosteneffiziente Durchflussmessung von Wasserstoff in Prozessanwendungen wie Hydrotreating oder Oxidreduktion sowie in Hilfsanwendungen wie Spülung oder Durchflussmessung von Proben in Analysegeräten oder Probenahmesystemen. Die Durchmesser reichen von 4 mm / 1/8'' bis zu DN100 / 4''. Die meisten Schwebekörper-Durchflussmessgeräte werden als mechanische lokale Durchflussanzeiger ohne Hilfsenergie und in Kombination mit einem Ventil zur Durchflusseinstellung eingesetzt. Optionale Grenzwertschalter, analoge Signalausgänge oder digitale Feldbusschnittstellen ermöglichen jedoch die Integration in einen Überwachungs- oder Regelkreis. Schwebekörper-Durchflussmesser können sowohl sehr kleine Durchflüsse von Wasserstoff mit niedriger Dichte bis hinunter zu atmosphärischen Bedingungen als auch Hochdruck-Wasserstoff messen. Bei konstanten Prozessbedingungen (Druck, Temperatur) lassen sich Genauigkeiten im Bereich von 1 bis 2,5 Prozent des Messwerts erzielen.

Fazit: Mit den Veränderungen im Zusammenhang mit der Energiewende wird Wasserstoff als Energieträger immer wichtiger. Für die Durchflussmessung von Wasserstoff sind Ultraschall, Coriolis oder Schwebekörper-Durchflussmessung die gängigsten Technologien. Welche letztendlich zum Einsatz kommt, hängt von den örtlichen Gegebenheiten ab.

Zusätzliche Informationen über Produkte und Messtechnik

Ultraschall-Durchflussmessgeräte & kostenloses eLearning

Coriolis-Durchflussmessgeräte & kostenloses eLearning

Schwebekörper-Durchflussmessgeräte & kostenloses eLearning

Autoren: Mark van der Zande, Manager Global Industry Division Oil & Gas, und Hilko den Hollander, Technical Manager Global Industry Division Oil & Gas, beide Krohne Messtechnik

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