- Was ist ein Wasserstoff durchflussmesser und wie funktioniert er?
- Warum ist die Durchflussmessung von Wasserstoffgas in der Wasserstoffwirtschaft wichtig?
- Warum ist ein Wasserstoff durchflussmesser für Elektrolyseure wichtig?
- Welche Rolle spielen Wasserstoff durchflussmesser bei der Betankung von Brennstoffzellenfahrzeugen mit Wasserstoff?
- Welche Arten von Durchflussmessern gibt es und wie funktionieren sie?
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Was ist ein Wasserstoff durchflussmesser und wie funktioniert er?
- Ein Wasserstoff-Durchflussmesser ist ein technisches Bauteil, das nicht nur die Durchflussmenge misst, sondern sehr oft auch den Durchflussdruck und die Temperatur des Wasserstoffs am Durchflussmesser. Anhand dieser Druck- und Temperaturdaten werden die Strömungsdichte und/oder die Schallgeschwindigkeit des Mediums berechnet, um den Massen- (oder Volumen-)durchsatz des abgegebenen Wasserstoffs zu ermitteln. Die korrektere technische Bezeichnung für dieses Gerät ist daher “Wasserstoff-Massendurchflussmesser”.
- Wasserstoff-durchflussmesser werden in Wasserstoffanwendungen eingesetzt, die eine genaue Messung des Wasserstoffdurchflusses erfordern, wie z. B. Elektrolyseure oder Wasserstoffbetankungsanwendungen.
- Das Wasserstoffdurchflussmessgerät muss ein genaues (und wiederholbares) Funktionsprinzip verwenden, um eine exakte Messung des Wasserstoffmassendurchflusses zu erhalten.
- Die Installation muss sehr sorgfältig geplant werden, wobei eine ausreichende gerade Länge vor und nach der Anlage zu berücksichtigen ist. Beim Einbau ist die Steifigkeit der Anschlussleitungen und der Montagefläche zu berücksichtigen.
- Die Auswirkungen von Druck und Temperatur auf die Konstruktionsmaterialien des Durchflussmessers (Steifigkeit und Innenabmessungen) müssen bei der Durchflussberechnung ebenfalls berücksichtigt werden.
Warum ist die Durchflussmessung von Wasserstoffgas in der Wasserstoffwirtschaft wichtig?
Die Verwendung von Wasserstoff erfordert natürlich genaue Messungen.
- Wasserstoff wird benötigt, um eine sichere, wirtschaftliche, zuverlässige und berechenbare Kraftstoffquelle für Heizung, Verkehr und Stromversorgung zu bieten. Der Verbrauch von Wasserstoff muss deshalb genau messbar sein.
- Die Speicherung von überschüssigem Strom aus erneuerbaren Energiequellen in Form von Wasserstoff wird mit jedem Tag, an dem die ökologischen, sozialen und politischen Herausforderungen zunehmen, zu einer höheren Priorität.
- Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser mit grünem Strom aus z.B. Sonnen- und Windenergie erzeugt. Diese erneuerbaren Energiequellen sind selbst unberechenbar. Wasserstoff kann als Energiespeicher für die Nutzung in der Nacht, an weniger windigen und weniger sonnigen Tagen dienen. Viele Wasserstoffspeichersysteme sind mit einem Durchflussmesser für Wasserstoffgas ausgestattet.
Warum ist ein Wasserstoff durchflussmesser für Elektrolyseure wichtig?
- Da Elektrolyseure mit der Zeit an Effizienz verlieren, ist ein zuverlässiges und genaues Durchflussmessgerät ein unverzichtbares Instrument, mit dem die tatsächliche Leistung überwacht und mit der theoretischen Leistung verglichen werden kann. Der Betreiber kann dann durch rechtzeitige Wartung sicherstellen, dass die maximale Leistung erreicht wird und die Kosten pro kg erzeugten Wasserstoffs minimiert werden.
- Ohne einen Durchflussmesser, der genau und zuverlässig ist, kann diese Wartung falsch geplant oder gefährdet werden. Der entscheidende Faktor für die Leistung von Elektrolyseur-Durchflussmessern ist die Fähigkeit, bei relativ niedrigen Drücken (weniger als 35 bar) zu arbeiten. Ein Durchflussmesser mit einem geringen permanenten Druckabfall ist daher ein wichtiger Faktor für diesen Prozess.
Welche Rolle spielen Wasserstoff durchflussmesser bei der Betankung von Brennstoffzellenfahrzeugen mit Wasserstoff?
- Nach der Erzeugung kann der Wasserstoff unter Druck gesetzt und gespeichert werden, bevor er als Kraftstoff für Fahrzeuge verwendet wird. Die Betankung eines Fahrzeugs mit Wasserstoff unterscheidet sich deutlich von der Betankung mit herkömmlichen Erdölprodukten, da es sich bei dem Kraftstoff um ein komprimierbares Gas im Gegensatz zu einer nicht komprimierbaren Flüssigkeit handelt.
- Zu Beginn der Betankung ist der Druck im Fahrzeugtank niedrig (1-2 bar) und der Druck im Betankungssystem hoch (+700 Bar). Zu Beginn des Ladevorgangs strömt der Wasserstoff durch eine Ladedüse mit einer relativ hohen Durchflussrate, die durch den Systemdruck bestimmt wird. Er wird nicht durch eine Pumpe mit konstantem Durchfluss angetrieben, wie dies bei herkömmlichen Kraftstoffen der Fall ist. Aus diesem Grund verlangsamt sich die Betankungsrate, wenn der Tankdruck steigt und der Systemdruck fällt. Dies kann manchmal dazu führen, dass eine zweistufige Befüllung erforderlich ist, damit sich der Systemdruck zwischen den Stufen wieder aufbauen kann. Der Druck und die Temperatur des Gases ändern sich während dieses Vorgangs ständig, so dass sich die Durchflussdichte beim Befüllen des Tanks ständig ändert.
- Im gesamten System ändern sich Druck und Temperatur aufgrund von Stromregelventilen, Wärmetauschern und Kompressoren. Am Durchflussmesser ist daher eine sehr genaue Kenntnis der strömenden Dichte erforderlich, damit ein genauer Wasserstoff-Massendurchfluss und die Gesamtmenge berechnet werden können. Ohne Kenntnis der Strömungsdichte kann der Massendurchsatz ungenau sein. Bei 350 Bar und 20 Grad Celsius beispielsweise führt jeder Fehler von 1 % in der Gasdichteberechnung zu einem Fehler von 0,5 % im Gasmassendurchsatz. Ein Durchflussmesser oder ein System, das den Druck und die Temperatur am Durchflussmesser überwacht, ist eine wichtige Voraussetzung, um die Genauigkeit zu gewährleisten.
Welche Arten von Durchflussmessern gibt es und wie funktionieren sie?
Durchflussmesser arbeiten nach vielen Prinzipien, aber im Allgemeinen werden solche ohne bewegliche Teile bevorzugt, damit der Verschleiß kritischer Teile nicht zu einer Fehlerquelle im Messprozess wird. Ein Wasserstoffgas-Massendurchflussmesser ohne bewegliche Teile kann nach dem Differenzdruckprinzip arbeiten. Alternativ kann es sich um einen Coriolis-Massendurchflussmesser oder einen Ultraschall-Durchflussmesser handeln.
1. Differenzdruck-Durchflussmesser (DP-Durchflussmesser)
- Ein DP-Durchflussmesser erzeugt nach dem Bernoulli-Prinzip einen kleinen Differenzdruck über dem Messgerät.
- Diese Art von Wasserstoff-Durchflussmesser beruht auf einer Veränderung der Strömungsfläche im Zählerkörper. Durch Messung des Differenzdrucks über diese Dimensionsänderung sowie des Strömungsdrucks und der Temperatur am Messgerät kann eine genaue Durchflussmenge berechnet und um Dichteschwankungen korrigiert werden. DP-Durchflussmesser messen den Massen- und Volumendurchsatz von Wasserstoff.
- DP-Zähler haben in der Regel einen mittleren bis geringen Differenzdruckverlust. Einige Differenzdruck-Durchflussmessgeräte, z. B. solche mit Blenden, erfordern erhebliche (19 bis 40 D) gerade Längen vor und hinter dem Messgerät. Andere, wie z. B. DP-Konuszähler, bewirken eine gewisse Selbstkonditionierung (Beseitigung von Drall), wodurch die Einbaulängen auf ein Minimum reduziert werden. Bei einigen Ausführungen sind die erforderlichen geraden Längen bereits im Zählergehäuse integriert. DP-Cone-Zähler müssen in Wasserstoff oder einem anderen Gas kalibriert werden, und die Durchflussberechnung muss den Durchflussdruck und die Temperatur am Zähler verwenden.
2. Coriolis-Durchflussmesser
- Coriolis-Messgeräte nutzen das Coriolis-Prinzip, das auf der Bewegung der Flüssigkeit durch vibrierende Rohre beruht, um den Wasserstoffmassendurchfluss direkt zu berechnen. Wenn die Dichte des Fluids ebenfalls mit Hilfe des Strömungsdrucks und der Temperatur berechnet wird, kann auch der volumetrische Durchsatz ermittelt werden. Aus diesem Grund wird Wasserstoff häufig in Masseneinheiten gehandelt, während Benzin oder Diesel in Volumeneinheiten gehandelt werden.
- Ein Coriolis-Massendurchflussmesser misst den Massendurchfluss direkt, so dass die Kenntnis der Dichte des Wasserstoffs nicht erforderlich ist. Coriolis-Messgeräte arbeiten mit vibrierenden Röhren, um die Durchflussmenge zu messen. Bei hohen Drücken oder niedrigen Temperaturen wird die Steifigkeit dieser relativ dickwandigen Rohre beeinträchtigt, so dass ein Coriolis-Messgerät dies bei seiner Durchflussberechnung berücksichtigen muss. Ein Coriolis-Messgerät benötigt keine geraden Längen, hat aber den höchsten Differenzdruckverlust über das Messgerät. Coriolis-Messgeräte müssen so montiert werden, dass Vibrationen des Messgeräts und Belastungen der zu- und abführenden Rohrleitungen vermieden werden. Coriolis-Zähler sind in der Regel teurer als andere Zählertypen und sollten mit Wasserstoff oder einem anderen Gas kalibriert werden, um die Genauigkeit zu erhalten.
Weitere Informationen über Coriolis-Durchflussmesser finden Sie unter Instrumentationtoolbox.com
3. Ultraschall-Durchflussmesser
- Es könnten auch Ultraschall-Durchflussmesser verwendet werden, aber diese befinden sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Sie arbeiten nach dem Prinzip der Messung der Zeit, die ein Ultraschallsignal benötigt, um sich durch die Strömung zu bewegen.
- Der Zähler misst zunächst die Zeit, die ein Signal benötigt, um den Durchflussweg zu durchqueren, wenn es in Durchflussrichtung übertragen wird. Dann kehrt er die Signalrichtung um und sendet das Signal gegen den Strom, wobei er wiederum die benötigte Zeit misst. Die erste Zeit ist niedriger als die zweite, da das Signal mit dem Strom fließt. Die Differenz zwischen diesen beiden Zeitmessungen wird dann zusammen mit der Schallgeschwindigkeit des Mediums zur Berechnung der Durchflussmenge verwendet. Wenn sich der Druck ändert, ändern sich auch die Dichte des Wasserstoffs und die Schallgeschwindigkeit. Ein Ultraschall-Wasserstoffdurchflussmesser hat den geringsten Druckabfall über den Zähler, da es sich bei dieser Konstruktion praktisch um ein offenes Rohr handelt. Ultraschallzähler benötigen außerdem eine beträchtliche gerade Länge stromaufwärts und stromabwärts, um eine konditionierte Strömung (ohne Drall) zu erzeugen, da sonst die gemessene Durchflussmenge negativ beeinflusst werden könnte. Ultraschallmessgeräte sollten auch mit Wasserstoff oder einem anderen Gas kalibriert werden, um die Genauigkeit zu erhalten.
Weitere Informationen über Ultraschall-Durchflussmesser finden Sie unter Instrumentationtoolbox.com
Beitrag von GM Flow
GM Flow ist Experte für die Messung des Durchflusses von Gasen, in der Vergangenheit vor allem von Erdgas und Stickstoff, jetzt aber auch von Wasserstoff und CO2. Die Technologie wird in Schottland entwickelt und gebaut und das Team verfügt über mehr als 100 Jahre Erfahrung. Mit einem Druckverlust von weniger als 1 bar und ohne bewegliche Teile ist das neuestes Produkt Hy-Cone™ speziell für Wasserstoff konzipiert. Der geringe Druckverlust von Hy-Cone™ maximiert den Wasserstoffdurchsatz bei Fahrzeugbetankungsanwendungen. Bei Elektrolyseuranwendungen überwachen diese Geräte die Wasserstoffausstoßrate und sorgen dafür, dass die maximale Effizienz des Elektrolyseurs über die Zeit erhalten bleibt.
Letzte Aktualisierung: 15.1.2023