Durchflussmessung für Wasserstoff Wasserstoff und CO2: An dieser Messung hängt die Energiewende

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Zwei Gase sind in aller Munde: Wasserstoff und CO₂. Das eine verspricht die Lösung aller Probleme, die das andere verursacht, scheint es. Gemessen werden müssen sie beide – und das ist nicht einfach. Wenn eine Ultraschall- oder Coriolis-Durchflussmessung für Wasserstoff und CO₂ gelingen soll, geht es nicht ohne ein bisschen Physik.

Zwei entscheidende Säulen der Energiewende sind die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger und die Abscheidung und Speicherung von CO₂ (CCS: Carbon Capture and Storage). Natürlich bedingt die Nutzung dieser Gase in industriellen Prozessen aber auch das präzise Messen – und hier stellen die beiden Medien eine Reihe ganz eigener Anforderungen. Dabei ist das Messen an sich nichts wirklich Neues: Während die Prozessmessung von Wasserstoff etwa in der (petro-)chemischen Industrie ebenso wie die Messung von Kohlendioxid in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie seit Jahren durchgeführt wird, birgt sie immer noch einige spezifische Herausforderungen, will man mit hoher Genauigkeit messen.

Wie die meisten Medien kann auch Kohlendioxid in vier Phasen vorliegen: fest, gasförmig, flüssig und überkritisch. Da der thermodynamisch kritische Punkt (an dem sich die Dichte von flüssiger und Gasphase angleichen) in der Nähe typischer Betriebsbedingungen in der Industrie liegt, sollte auf Phasenwechsel geachtet werden. Ein Beispiel: CO₂ ist bei 60 bar und 20 °C eine Flüssigkeit mit einer Dichte von 780 kg/m³. Eine Reduzierung des Drucks auf 56 bar bedeutet daher, dass es ein Gas mit 185 kg/m³ ist. Dies zeigt, dass schon ein vergleichsweise geringer Druckabfall zu einer dramatischen Änderung der Dichte führen kann, was sich auf die Messleistung auswirkt.

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Bei erhöhtem Druck und hoher Temperatur befindet sich CO₂ in einer überkritischen Phase. Der Begriff „überkritisch“ klingt zwar etwas schwer fassbar, aber er kommt auch in anderen Anwendungen vor. Der kritische Punkt von Methan liegt beispielsweise bei 46 bar und -83 °C, was bedeutet, dass sich typische Methananwendungen bei 60 bar Umgebungstemperatur ebenfalls in der überkritischen Phase befinden.

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Der kritische Punkt von Wasserstoff liegt bei 13 bar und -240 °C, sodass er nur bei starker Abkühlung flüssig werden kann. Bei seiner kritischen Temperatur von -240 °C benötigt Wasserstoff mindestens 13 bar, um flüssig zu werden, bei Umgebungsdruck muss Wasserstoff auf -253 °C abgekühlt werden, um sich zu verflüssigen.

Was bedeutet das konkret für die Messung? Das Prinzip der Ultraschalllaufzeit beruht auf der Tatsache, dass sich der Schall in einem fließenden Medium stromaufwärts schneller und stromabwärts langsamer ausbreitet. Dieses Messverfahren kann für einphasige Gase, Flüssigkeiten oder überkritische Phasen verwendet werden, wobei für jede Phase ein eigener Aufbau erforderlich ist.

Eine besondere Herausforderung bei CO₂ ist der molekulare thermische Relaxationseffekt, der bewirkt, dass das Gasmolekül das Ultraschallsignal „absorbiert“. Dieses Phänomen tritt nicht nur bei CO₂ auf, aber gerade hier liegt die Absorptionsspitze in demselben Frequenzbereich, der normalerweise für Ultraschallwandler verwendet wird. Da die Frequenz der Absorptionsspitze druckabhängig ist, wählen die Hersteller bei der Dimensionierung eines Zählers sinnvollerweise die Frequenz des Ultraschall-Signalwandlers aus, welche ausreichend von der Frequenz der Absorptionsspitze entfernt ist.

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Bei Wasserstoffanwendungen müssen die geringe Dichte und die hohe Schallgeschwindigkeit berücksichtigt werden. Aufgrund der geringen Dichte ist es für das Ultraschallsignal schwieriger, in das Medium einzudringen und den empfangenden Wandler zu erreichen. Um diese Herausforderung zu meistern, wählen die meisten Hersteller die optimale Ultraschallwandlerfrequenz, um die akustische Leistung zu maximieren. Die hohe Schallgeschwindigkeit in Wasserstoff führt zu sehr kurzen Laufzeiten des Ultraschallsignals zwischen den Wandlern. Folglich muss der empfangende Wandler rechtzeitig bereit sein, um das Signal vom sendenden Wandler zu empfangen.

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Da es keine groß angelegten CO₂- oder Wasserstoff-Durchflusskalibrierungseinrichtungen gibt, werden Ultraschall-Durchflussmessgeräte normalerweise mit Wasser, Luft oder Erdgas kalibriert. Bei Bedarf kann eine Kalibrierung auf der Grundlage der Reynolds-Zahl durchgeführt werden, sodass die Durchflussprofile während der Kalibrierung denjenigen im Feld ähneln. Die Verwendung von Wasser mit einer 7-fach höheren Durchflussrate ergibt ähnliche Reynolds-Zahlen wie flüssiges CO₂. Bei Bedarf kann die auf Wasser basierende Reynolds-Kurve extrapoliert werden, ähnlich wie dies bei LNG-Durchflussmessern der Fall ist.

Herausforderung Coriolis: Wie werden CO2 und Wasserstoff messbar

Coriolis-Messgeräte ermöglichen hochgenaue Durchflussmessungen bei einphasigen Fluiden, die entweder in flüssiger, gasförmiger oder überkritischer Phase vorliegen können. Sie messen auch bei mehrphasigen Strömungen. Bei der Messung von CO₂ ist darauf zu achten, dass große plötzliche Dichteschwankungen vermieden werden, die bei Prozessbedingungen in der Nähe des kritischen Punktes auftreten können.

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Bei der Messung von Gasen, insbesondere von Wasserstoff mit geringer Dichte, sollte darauf geachtet werden, dass die Mindestdichte des Messgeräts eingehalten wird, um die Leistung des Durchflussmessers zu gewährleisten. In der Praxis bedeutet dies, dass ein Mindestdruck erforderlich ist. Coriolis-Messgeräte werden normalerweise mit Wasser kalibriert. Da sie eine direkte Massemessung bieten, werden die Zähler nicht durch Flüssigkeitseigenschaften oder Strömungsprofile beeinflusst.

Wie geht es weiter?

Das abgeschiedene CO₂ kann andere Gase wie N₂ oder O₂ enthalten. In der Nähe der Phasenübergangslinie kann dies zu einer Zweiphasenströmung führen, bei der sich CO₂ in der Flüssigphase und die anderen Elemente in der Gasphase befinden. Auch auf freies Wasser im CO₂ muss geachtet werden, da dies zu Kohlensäurekorrosion führen kann (Fe + CO₂ + H₂O ↦ FeCO₃ + H₂).

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Ob ein Coriolis- oder ein Ultraschall-Durchflussmesser die beste Option für Ihre Anwendung ist, hängt von den Anwendungsanforderungen ab. Coriolis-Durchflussmesser bieten eine direkte Massenmessung und erfordern keine geraden Einlassrohre. Ultraschall-Durchflussmesser bieten einen vernachlässigbar geringen Druckabfall und sind in sehr großen Größen mit voller Bohrung erhältlich.