Auf dem Weg zu einer klimafreundlicheren Mobilität gewinnt Wasserstoff als neuer Kraftstoff zunehmend an Bedeutung. Allerdings ist das Betanken von Wasserstoff komplexer als das Betanken von Benzin und Diesel. Im Gegensatz zu anderen Gasen erwärmt sich Wasserstoff durch Ausdehnung, was beim Betanken zu Druck- und Temperaturänderungen führt, die genau überwacht werden müssen. Aus diesem Grund hat die Heinrichs Messtechnik GmbH, ein Tochterunternehmen der Kobold-Gruppe, den Massendurchflussmesser TMU-W 004 entwickelt, der trotz Druck- und Temperaturschwankungen eine genaue Dosierung gewährleistet. Das Gerät ist das erste seiner Art, das nach der internationalen Norm OIML R 139 2018 zertifiziert und damit für Wasserstofftankstellen zugelassen ist. Ein kompaktes, robustes Gehäuse schützt die Sensoren und Messschleifen, die den Coriolis-Effekt nutzen und eine sehr genaue Durchflussmessung ermöglichen. Die abgesetzte Elektronik wandelt die Sensorsignale in einen Messwert für den Massendurchfluss um und misst auch die Temperatur der Flüssigkeit. Die TMU-W 004, die für Hochdruckanwendungen bis 1000 bar geeignet ist, wird bereits in den Füllstationen des börsennotierten Unternehmens Nel Hydrogen eingesetzt.
Wasserstoff als Kraftstoff gewinnt in Europa an Bedeutung, was zum Teil auf die von den Regierungen verabschiedeten Konjunkturprogramme zurückzuführen ist. "Bei Personenkraftwagen wird Wasserstoff in der Regel mit 700 bar betankt. Dieser hohe Druck ist notwendig, um die für gute Messbedingungen notwendige Energiedichte zu erzeugen, erklärt Guido Thometzki, Geschäftsführer der Heinrichs Messtechnik GmbH. Während dieses Prozesses darf die Temperatur nicht über +85 °C steigen, da sonst die Beschichtung des Behälters beschädigt werden kann."
Da sich der Tank während des Befüllens ausdehnt und erwärmt, wird der Wasserstoff vor dem Eintreffen im Tank gekühlt. Diese Hochdruckumgebung stellt zusammen mit der geringen Größe des Wasserstoffmoleküls eine große Einschränkung dar, um eine genaue Messung des Wasserstoffdurchflusses zu erreichen.
Ausgehend von dieser Erkenntnis hat die Heinrichs Messtechnik GmbH, ein Tochterunternehmen der Kobold-Gruppe, ihren bereits für Hochdruck-Gasanwendungen bewährten Coriolis-Massendurchflussmesser modifiziert und bietet nun mit dem TMU-W 004 eine speziell für die Messung von Wasserstoff entwickelte Version an. Mit diesem Durchflussmesser kann beim Betanken genau gemessen werden, wie viel Wasserstoff in den Tank des Fahrzeugs gelangt. Dies ermöglicht eine genaue Abrechnung der eingefüllten Menge, was eine Voraussetzung für das Betanken an öffentlichen Wasserstofftankstellen ist. Es deckt einen Messbereich von 0,133 kg/min H2 bis 4 kg/min H2 ab.
Während der Entwicklungsphase wurden durch den Einsatz hochentwickelter Ingenieurwerkzeuge zahlreiche Simulationen der Struktur des Durchflussmessers sowie der Flüssigkeit selbst durchgeführt, was zu optimalen Anordnungen und Abmessungen aller mechanischen und elektromechanischen Komponenten führte. Infolgedessen wurde das Gerät zum ersten und bislang einzigen Durchflussmesser weltweit, der nach der internationalen Norm OIML R 139 2018 zertifiziert wurde, die Wasserstoffdurchflussmesssysteme für Fahrzeuge abdeckt. Das börsennotierte norwegische Unternehmen Nel Hydrogen setzt den TMU-W 004 bereits erfolgreich an seinen Tankstellen ein.
Spezielle Anordnung der Sensoren führt zu präzisen Ergebnissen
Damit das Messgerät möglichst gut in Wasserstofftankstellen integriert werden kann, wurde der Durchflussmesser TMU W004 wesentlich kompakter als seine Vorgängermodelle konstruiert. Im Inneren des kompakten, verwindungssteifen Gehäuses befinden sich zwei parallele, U-förmige Messrohre. "Ein Erregersystem versetzt die Messrohre in Schwingungen mit ihrer Eigenfrequenz. Wenn das Fluid durch die Röhren strömt, bewirkt der Coriolis-Effekt eine Phasenverschiebung zwischen diesen Frequenzen", erklärt Guido Thometzki. "Optimal platzierte Sensoren an den Messrohren erkennen diese Phasenverschiebung und geben sie als elektrisches Signal an die Elektronik zur vollständigen Signalverarbeitung weiter. Aus diesen Signalen wird der aktuelle Massendurchfluss errechnet.
Die spezielle Architektur des Geräts - d. h. die Form der Messrohre und die ideale Positionierung der Sensoren auf den Rohren - sowie die stärkere Abstimmung der anderen Komponenten wie z. B. der Faltenbälge machen das Gerät trotz der dicken Wände der Messrohre zu einem besonders empfindlichen und präzisen Durchflussmesser. Diese Robustheit der Messrohre ist notwendig, um dem hohen Druck von 1000 bar standzuhalten (der Prüfdruck liegt tatsächlich bei 1500 bar). Das robuste Gehäuse, das vollständig verschweißt ist, um eine höhere Steifigkeit zu erreichen, schützt die darin befindliche empfindliche Messausrüstung weitgehend.
Das tatsächliche Volumen wird dann anhand einer Impulsausgabe der Elektronik ausgearbeitet. "Der Benutzer erhält auch Informationen über die Temperatur des Fluids und möglicherweise auch über dessen Dichte. Diese Daten können verwendet werden, um den Kompressor, der den Wasserstoff pumpt, zu steuern, z. B. indem er auf ein höheres Volumen umschaltet oder umgekehrt den Pumpvorgang unterbricht".fügt Guido Thometzki hinzu. Die Elektronik verfügt über ein zweizeiliges LCD-Display, das die gewählten Werte direkt anzeigt. Die Elektronik lässt sich mithilfe der vier Tasten auf der Vorderseite einfach konfigurieren. Unter den verschiedenen verfügbaren Funktionen kann der Benutzer die physikalischen Einheiten, die angezeigten Größen, die Ausgänge und die Fehleranalyse festlegen. Der Transmitter ist als Prozessversion (rundes, wasserdichtes Gehäuse) oder als Rackversion in einem Schaltschrank installiert erhältlich. Beide Gehäusearten sind druckfest und nach "Eigensicherheit" zertifiziert, wodurch Brände oder Explosionen im Falle eines Gasaustritts vermieden werden können.
Simulationen und Durchflusstests sorgen für eine genaue Messung
Bei der Entwicklung, Herstellung und Kalibrierung ihrer Zähler hat die Heinrichs Messtechnik GmbH zahlreiche Simulations- und Optimierungsmethoden eingesetzt, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit ihrer Geräte unter allen erdenklichen Bedingungen zu gewährleisten. "Geräte zur Messung von Hochdruckgasen wie Wasserstoff, wie das neue TMU-W 004 für Wasserstofftankstellen, können natürlich keine Ausnahme bilden, erklärt Guido Thometzki. Im Gegenteil, insbesondere bei der Entwicklung der TMU-W 004 haben wir Simulationsmethoden der neuesten Generation verwendet, die speziell für die Strömungsmechanik und das Strukturdesign entwickelt wurden, wie FEM (finite element method), CFD (computational fluid dynamics) und FSI (fluid structure interaction)." Nur so konnte die TMU-W 004 die scheinbar widersprüchlichen Anforderungen an höchste Genauigkeit und extreme Zuverlässigkeit bei der Messung von Gasdurchflüssen unter hohem Druck erfüllen. Außerdem musste die Messgenauigkeit trotz der Druck- und Temperaturschwankungen bei der Befüllung hoch bleiben. "Dass die TMU-W 004 die Anforderungen der OIML R 139 2018 nicht nur erfüllt, sondern mit einer Genauigkeitsklasse von 1,5 für Wasserstoff weit übertrifft, zeigt vor allem, was das Entwicklungsteam der TMU-W 004 geleistet hat", erklärt Dr. Thomas Chatzikonstantinou, Technischer Leiter der Heinrichs Messtechnik GmbH, abschließend.
Seit über hundert Jahren entwickelt und verkauft die 1911 in Düsseldorf gegründete Heinrichs Messtechnik GmbH Durchflussmessgeräte. Von Anfang an war einer ihrer Hauptmärkte die chemische oder petrochemische Industrie. Seit den 1960er Jahren entwickelte und vermarktete das Unternehmen daher Schwebekörper-Durchflussmesser, die vollständig aus Metall bestanden. Mitte der 1980er Jahre baute Heinrichs als erstes europäisches Unternehmen einen Massendurchflussmesser, der den Coriolis-Effekt nutzte, und in den darauffolgenden Jahren erweiterte das Unternehmen sein Angebot ständig. Heute hat das Unternehmen Kunden in vielen verschiedenen Branchen, darunter Chemie, Öl und Gas, Energie, Anlagenbau und Maschinenbau. 2008 trat Heinrichs der Kobold-Gruppe bei, wodurch das Unternehmen über die internationalen Tochtergesellschaften der Gruppe über ein großes Vertriebsnetz verfügte. Heinrichs entwickelt und produziert alle seine Produkte intern an seinem Hauptsitz in Köln.
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