Betriebssicherheit

Bezüglich der Betriebssicherheit bestehen für die thermischen Massenflusssensoren von Sensirion keinerlei Beschränkungen für den Betrieb mit Erdgas oder Wasserstoff. Sowohl die maximale Temperatur als auch die maximal auf dem Mikro-Sensorelement gespeicherte thermische Energie liegen selbst bei einer Fehlfunktion des Spannungsreglers des Durchflusssensors deutlich unter der Zündtemperatur bzw. Zündenergie von Wasserstoff-Luft-Gemischen. Deshalb wird die thermische Massenflussmesstechnologie von Sensirion bereits seit Jahren erfolgreich in anspruchsvollen Anwendungen der Gasanalytik mit reinem Wasserstoff verwendet.

Gleichbleibende kompakte Baugrösse unabhängig vom Wasserstoffanteil

Ein wichtiger Aspekt, den es zu berücksichtigen gilt, wenn von Erdgas auf Wasserstoff umgestellt werden soll, ist die Tatsache, dass Wasserstoff einen um ca. Faktor 3 niedrigeren Brennwert pro Volumen aufweist als typische Erdgasmischungen. In der Praxis bedeutet dies, dass einem Gasverbraucher, wenn er mit reinem Wasserstoff anstelle von Erdgas betrieben wird, ungefähr ein um Faktor 3 grösseres Gasvolumen beigeführt werden muss, um eine vergleichbare Heizleistung zu erzielen.

In diesem Fall müssen Gaszähler, welche ursprünglich für den Betrieb mit Erdgas ausgelegt wurden, ein wegen Wasserstoffbeimischung erhöhtes Gasvolumen erfassen können. Es kann daher notwendig sein, rein volumetrische Erdgaszähler in grösseren Baugrössen auszuwählen, die zudem über einen erweiterten dynamischen Bereich funktionieren (wenn sie sowohl mit Erdgas als auch mit reinem Wasserstoff betrieben werden). Grössere Zählerbauformen können höhere Kosten verursachen und zu erhöhten Platzbedürfnissen bei der Installation führen. Falls ein Zähler von grösseren Gasvolumen durchflossen wird als denen, für die er ursprünglich im Rahmen des Betriebs mit Erdgas ohne Wasserstoff ausgelegt worden ist, ist eine erhöhte Abnutzung der Zählermechanik und eine dadurch reduzierte Lebensdauer zu erwarten.

Auch für Ultraschallgaszähler ergeben sich Probleme, da Wasserstoff eine (ungefähr um den Faktor 3) höhere Schallgeschwindigkeit besitzt als Erdgas. Dies bedeutet, dass der Schallweg physikalisch verlängert und die für die Messung eingesetzte Elektronik signifikant schneller werden muss. Entsprechend ist damit zu rechnen, dass ein solcher Zähler grösser, komplexer und teurer ausfällt.

Bei der thermischen Massenflussmesstechnologie handelt es sich hingegen um ein statisches Messprinzip ohne bewegte Teile, das den Massenfluss direkt misst. Folglich verursacht ein erhöhter Volumenfluss keine erhöhte Abnutzung und hat damit keinen Einfluss auf die Lebensdauer eines thermischen Massenflussmessers. Im Gegensatz zu volumetrischen oder Ultraschallgaszählern können für thermische Massenflussmesser die gleichen Baugrössen verwendet werden – unabhängig davon, ob sie mit Erdgas oder mit beliebigem Wasserstoffanteil betrieben werden. Die wichtigste Kenngrösse, die für das thermische Massenflussmessprinzip zu beachten ist, ist nicht das durch den Zähler strömende Gasvolumen, sondern die Reynolds-Zahl des jeweiligen Gasgemischs. Diese in der Strömungslehre verwendete Kenngrösse gibt Aufschluss darüber, ob sich in einem System turbulente (grosse Reynolds-Zahl) oder laminare (kleine Reynolds-Zahl) Strömungsverhältnisse ausbilden. Vergleicht man die Reynolds-Zahlen für reines Methan ReCH₄ (stellvertretend für ein Erdgasgemisch) und für reinen Wasserstoff ReH₂, so offenbart sich, dass ReH₂ bei gleicher Zählergehäusegeometrie um mehr als einen Faktor 6 kleiner ist als ReCH₄. Selbst wenn ein um einen Faktor 3 erhöhter Fluss für Wasserstoff angenommen wird (um den um Faktor 3 niedrigeren Brennwert von Wasserstoff im Vergleich zu Erdgas auszugleichen), bleibt ReH₂ immer noch um ca. einen Faktor 2 kleiner als ReCH₄. Die im Vergleich zu Methan niedrigere Reynolds-Zahl für Wasserstoff bedeutet stets stabile Messbedingungen bei gleichbleibender Zählergehäusegeometrie, auch bei einem um Faktor 3 erhöhten Volumenfluss.

Auch der Druckabfall über den Gaszähler bleibt bei erhöhtem Wasserstoffdurchfluss stabil. Der Druckabfall über den Zähler ist proportional zur Gasdichte × Geschwindigkeit². Da die Dichte von Wasserstoff um einen Faktor 14 niedriger ist als die von Methan, fällt der Druckabfall bei der Verwendung von Wasserstoff mit einer dreimal höheren Durchflussrate als Methan tatsächlich niedriger aus.

Dementsprechend kann dieselbe Baugrösse für Erdgas und für den Betrieb mit reinem Wasserstoff verwendet werden. Ein typischer thermischer Massenflussmesser des Typs G4 kommt mit einer maximalen Erdgas-Durchflussrate von 6 m³/h ebenso zurecht wie mit einer maximalen Wasserstoff-Durchflussrate von mehr als 20 m³/h. Zudem ist bei der Umstellung zwischen verschiedenen Gasen keine Neukalibrierung oder Konfiguration erforderlich, da sich der Sensor nahtlos an das bereitgestellte Gas anpasst.

Schlussfolgerung und Ausblick

Die hier vorgestellten Messdaten zeigen, dass das thermische Massenflussmessprinzip die von der MID geforderten Fehlergrenzen für die Messgenauigkeit und das Luft-zu-Gas-Verhältnis für verschiedene Erdgas-Wasserstoff-Gemische und für reinen Wasserstoff einhält. Bezüglich der Betriebssicherheit bestehen keine Beschränkungen, auch nicht im Betrieb mit reinem Wasserstoff. Die ohnehin bereits sehr kompakte Bauform von thermischen Massenflussmessern kann unabhängig vom Wasserstoffanteil beibehalten werden. Dies ist ein wichtiger Vorteil im Vergleich zu mechanischen und Ultraschallzählern. Somit müssen keine teuren und grossen Zählerbauformen eingesetzt werden, und die Logistik und Installation von thermischen Massenflussmessern bleibt einfach und kostengünstig.

In den letzten Jahren bestand der technologische Fortschritt bei Gaszählern vorwiegend darin, dass sie kommunikationsfähig wurden. Die Wasserstoffbeimischung könnte einen weiteren Modernisierungsschub in der Gaszählerindustrie auslösen: weg von altgedienten, mechanischen und volumetrischen Messprinzipien hin zu modernen Technologien, welche im Betrieb mit Wasserstoff wesentliche Vorteile bieten können. Weltweit profitieren bereits heute mehr als 6 Millionen Gaskunden von einer zuverlässigen und fairen Abrechnung durch thermische Massenflussmesser. Gut möglich, dass die Wasserstoffbeimischung der raschen Verbreitung dieser kompakten, statischen Technologie noch zusätzlichen Vorschub leisten wird.

Über Sensirion – Experte für Umwelt- und Durchflusssensorlösungen

Die Sensirion AG mit Sitz im Schweizerischen Stäfa ist einer der führenden Hersteller digitaler Mikrosensoren und -systeme. Die Produktpalette des Unternehmens umfasst Gas- und Flüssigkeitssensoren, sowie Differenzdruck- und Umweltsensoren zur Messung von Temperatur und Feuchtigkeit, volatilen organischen Verbindungen (VOCs), Kohlendioxid (CO₂) und Feinstaub (PM2.5). Das Netzwerk mit Niederlassungen in den USA, Europa, China, Taiwan, Japan und Südkorea unterstützt Kunden sowohl mit Serienprodukten als auch massgeschneiderten Sensorsystemlösungen für verschiedenste Anwendungen. Sensoren von Sensirion finden sich häufig in Medizin-, Industrie- und Automobilanwendungen sowie in Analyseinstrumenten, in der Konsumgüterbranche und in Heizungs-, Lüftungs- und Klimageräten.

Zu den Alleinstellungsmerkmalen der Sensirion Produkte gehört die patentierte CMOSens® Technologie, welche eine intelligente Systemintegration von Sensorelement, Logik, Kalibrierungsdaten und einer digitalen Schnittstelle auf einem einzigen Chip ermöglicht. Die treue Kundenbasis mit vielen namhaften Kunden sowie das Qualitätsmanagement nach ISO/TS 16949 bestätigen Sensirion als zuverlässiges Sensorunternehmen.

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