Massenflussmessung

Freie Fahrt für die Brennstoffzelle

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Erster hochpräziser Massedurchflussmesser für Wasserstofftankstellen von Heinrichs nach internationaler Norm OIML R 139 2018 zertifiziert.

Wasserstoff als Energieträger gewinnt in Deutschland nicht nur durch die beschlossenen Konjunkturpakete der Regierung zunehmend an Bedeutung. Im europäischen Vergleich gibt es in der Bundesrepublik laut Statista derzeit die meisten öffentlichen Wasserstoff-Tankstellen. Weltweit belegt Deutschland hier nach Japan den zweiten Platz. „Bei der Betankung der Brennstoffzellen in PKWs wird in der Regel mit 700 bar gearbeitet. Der hohe Druck ist notwendig, um die notwendige Energiedichte zu erzeugen, damit alltagstaugliche Reichweiten erzielt werden“, erklärt Guido Thometzki, Geschäftsführer der Heinrichs Messtechnik GmbH.

„Bei dem Vorgang darf die Temperatur +85°C nicht überschreiten, da ansonsten die Tankauskleidung kaputt gehen kann.“ Da dieser beim Betanken expandiert und sich erwärmt, wird der Wasserstoff vorgekühlt, bevor er in den Tank gelangt. Diese Hochdruckumgebung in Kombination mit der geringen Größe des Wasserstoffmoleküls erfordert aber eine besonders präzise Durchflussüberwachung.

Deshalb hat die Heinrichs Messtechnik GmbH ihre bewährten Coriolis-Massedurchflussmesser für solche Hochdruckanwendungen optimiert und bietet mit dem TMU-W 004 der neuen TMU-W Modellreihe nun eine Variante speziell für das Handling von Wasserstoff. Das Messgerät stellt sicher, dass die beim Befüllen abgegebene Menge an Wasserstoff in den Hochdrucktank des Fahrzeuges präzise gemessen wird. Somit ist eine korrekte Abrechnung beim Betanken mit Wasserstoff, was Voraussetzung für die Betankung an öffentlichen Wasserstofftankstellen ist, möglich. Dabei lässt sich ein Messbereich von 0,133 kg/min H2 bis 4 kg/min H2 abdecken.

Dank vorab durchgeführter Struktur- und Fluidsimulationen konnte die optimale Anordnung und Dimensionierung aller mechanischen und elektromechanischen Komponenten sichergestellt werden. Dafür erhielt das Gerät als erstes und bisher weltweit einziges die Zertifizierung nach der internationalen Norm OIML R 139 2018, die den Einsatz von Messsystemen für komprimierte gasförmige Kraftstoffe bei Fahrzeugen regelt. Das börsennotierte norwegische Unternehmen Nel Hydrogen nutzt den TMU-W 004 bereits erfolgreich in seinen Tankstellen.

Besondere Anordnung der Sensoren sorgt für präzise Ergebnisse

Damit das Messgerät in Nels schmalen Zapfsäulen verbaut werden kann, wurde der Durchflussmesser im Vergleich zu den bisherigen Modellen wesentlich schlanker dimensioniert. In einem kompakten und formstabilen Gehäuse befinden sich zwei in U-Form-gebogene Messrohre, die parallel zueinander laufen. „Die Messrohre werden durch ein Erregersystem zum Schwingen mit ihrer Eigenfrequenz gebracht. Strömt dabei das Medium durch diese hindurch, kommt es zu zusätzlichen, phasenverschobenen Auslenkungen der Messrohre, die durch die Coriolis-Kraft hervorgerufen werden“, erklärt Thometzki.

„Durch geeignete, an optimalen Stellen der Messrohre angeordnete Sensoren werden die phasenverschobenen Auslenkungs-Signale aufgenommen und an den Messumformer (auch Transmitter genannt) zur weiteren Auswertung übermittelt. Daraus wird dort der momentan durchfließende Massedurchfluss berechnet.“

Aufgrund dieser speziellen Geräte-Architektur, das heißt Form der Messrohre, optimale Position der Sensoren auf den Messrohren, und der weiteren Abstimmung der sonstigen Bauteile, wie beispielsweise Knotenbleche, ergibt sich eine besonders hohe Sensitivität und Messgenauigkeit trotz der dickwandigen Messrohre. Diese dickwandigen Messrohre sind notwendig, um den besonders hohen Druck von 1000 bar (wobei der Testdruck sogar 1500 bar ist) aufnehmen zu können. Das robuste, vollverschweißte Schutzgehäuse mit Sicken zur Versteifung sorgt für den nötigen Schutz der sensiblen Messausrüstung vor äußeren Einflüssen.

Vom Messumformer aus lässt sich über den Puls- oder Statusausgang eine Auswertung der Durchflussmenge vornehmen. „Zudem erhält der Anwender Informationen über die Temperatur des fließenden Mediums und optional über dessen Dichte. Dadurch lässt sich dann der Kompressor zum Pumpen des Wasserstoffs entsprechend steuern, das heißt eine höhere Pumpmenge oder eben auch eine Unterbrechung der Förderung einstellen“, so Thometzki.

Der Messumformer verfügt über ein zweizeiliges LCD-Display, auf dem die Werte auch direkt ablesbar sind. Mittels vier Knöpfen kann das Gerät einfach konfiguriert werden. Darüber lassen sich unter anderem Ausgänge definieren oder Fehleranalysen durchführen. Der Messumformer lässt sich als runde Variante aufstellen oder in einer Rack-Version in den Schaltschrank einbauen. Sowohl das Gehäuse des TMU-W 004 als auch das Feldgehäuse des Messumformers sind druckfest und eigensicher, was Bränden oder Explosionen vorbeugt, selbst wenn einmal Gas austreten sollte.

Simulationen und Strömungsmessungen sichern Messpräzision

Die Heinrichs Messtechnik GmbH nutzt bei der Entwicklung, Produktion und Kalibrierung ihrer Messgeräte zahlreiche Simulations- und Optimierungs-Methoden, um die Messpräzision und Ausfallsicherheit der Geräte unter allen erdenklichen Bedingungen zu gewährleisten. „Geräte zum Handling von Hochdruckgasen wie Wasserstoff wie der neue TMW-W 004 für Wasserstofftankstellen können natürlich keine Ausnahme sein“, erläutert Thometzki. „Im Gegenteil, insbesondere bei der Entwicklung des TMU-W 004 kamen speziell entwickelte, hochpräzise Simulations-Methoden der Strömungs- und Strukturverhältnisse zum Einsatz, zum Beispiel Verfahren wie FEM (Finite Element Method), CFD (Computational Fluid Dynamics), FSI (Fluid Structure Interaction).”

Nur so konnten beim TMU-W 004 die scheinbar gegensätzlichen Anforderungen von höchster Messgenauigkeit bei gleichzeitig extremer Ausfallsicherheit beim Handling von Hochdruckgasen realisiert werden. Auch durfte die Messgenauigkeit trotz der Druck- und Temperaturschwankungen während des Betankens nicht darunter leiden. „Dass der TMU-W 004  die Anforderungen der Zulassung nach der OIML R 139 2018 nicht nur erfüllt, sondern diese mit der Genauigkeitsklasse von 1,5 beim Wasserstoff sogar deutlich übertroffen hat, zeigt, insbesondere auch im internationalen Vergleich, wie leistungsfähig das Entwicklungsteam des TMU-W 004 gearbeitet hat“ sagt Dr. Thomas Chatzikonstantinou, Technischer Leiter der Heinrichs Messtechnik GmbH abschließend.