熱式測定の原理: 最良のH₂対応ガスメーターの選択

執筆者: Michele Monitaro(産業機器市場担当キーアカウントマネージャー、Konrad Domanski(ガスメーターソリューション プロダクトマネージャー)

欧州グリーンディールは、2050年までに欧州のカーボンーニュートラルを達成するという目標を掲げる戦略的計画です。この目標を達成するには、欧州の二酸化炭素2排出量の大部分を占めるエネルギー部門の脱炭素化が不可欠です。この課題で期待されているのが、天然ガスと再生可能ガス(バイオガス、または持続可能な生成方法による水素ガスなど)を混合させる技術です。特に水素の使用は行動方針の中でも有望である可能性が高く、この計画された移行に合わせてガスインフラストラクチャ全体を切り替える準備がすでに進行中です(2025年以降に英国内で販売されるすべての新品ガスボイラーは純水素と互換性を有する予定です)。ガスメーターはガスインフラに必須のものであり、お客様にとって、信頼できる公平なガス従量制課金のために欠かせません。

この記事では、相当量の水素と純水素を含んだ混合天然ガス用のガスメーターについて、サーマルマスの計量動作を検証します。測定データを提示するとともに、測定精度と運用の安全性についても論じます。サーマルガスメーターが、水素含有量に関係なく小型化を維持できる理由を説明します。これは、水素対応ソリューションが他のメーター技術よりも優れた主な利点となっています。

熱式測定の原理

図1a)に示すように、MEMS(微小電気機械システム)ベースの熱式測定センサー素子は、ガスメーターなどに使われているマイクロサーマルフローセンサーの中核となるものです。センサー素子は、シリコンチップ上のメンブレンにあり、上流と下流に組み込まれたマイクロヒーターと温度センサーで構成されています。マイクロヒーターに電流が流れると、メンブレンに温度プロファイルが発生します。ガスが流れていない場合は、上流側と下流側の両方の温度センサーの温度は同じ数値になります(図1b)を参照)。ガスがメンブレンを流れると、熱流が発生します。つまり、メンブレン上の温度プロファイルが変化し、その結果、上流側と下流側両方の温度センサーで温度が変化します(図1c)を参照)。その結果、2つのセンサー間の温度差によって、流速の関数として測定可能なセンサー信号が生成されます。温度差が大きいほど、センサー素子上のガスフローは大きくなります。

サーマルマスフロー測定の原理は、熱対流の物理的影響に基づいているため、センサーの信号は、膜を通過するガスの流速と測定されたガス混合物の熱特性の両方に左右されます。

つまり、サーマルフローセンサーは、特定の混合ガスに対して事前校正されているか、流量を測定する際に混合ガスの変化を動的に考慮するルーティンが設定されていれば、正確な測定データを得ることができます。

ガスメーターは、各種ガスの混合物に使用することができますが、ガスの組成は時間とともに変化する可能性があります。しかし、すべての天然ガス混合物を個別に事前校正することは不可能です。そこで、センシリオンのガスメーター用サーマルマスセンサーは、天然ガスの組成が変化しても正確な流量測定を可能にする独自の動的天然ガス品質および水素認識ルーティンを備えています。

テストの設定

ここで紹介する測定データは、動的ガス認識ルーティンを備えたサーマルマスフローセンサーを使って記録されたものです。このルーティンは、EN 437:2018に準拠したH、L、Eガス(最大23%の水素および純水素および準純水素を含む)に対して最適化されています。フローセンサーの出力信号は、温度と圧力で補正され、標準的な㎥/hで表示されます。  

一般的なガスメーターのプロトタイプ筐体で、フローセンサーをガスメーター筐体の出口に配置してテストしました(図2a)を参照)。外部のガス供給会社がテスト用の混合ガスを調合しています(表1を参照)。参照流量として音速ノズルを使用し、測定は室温で行いました。流量測定の設定を図2b)に模式図として示します。

天然ガスと水素の混合ガスの流量測定

図3は、空気、メタン、および5%、10%、23%の水素を含む天然ガス混合物中の5つのフローセンサーについて、最大6 m3/h (G4メーター) の基準ガス流量における相対的な測定誤差を示しています。黒色をつけた±3.5%および±2.0%の誤差限界は、測定装置(MID)に関する欧州指令2016/32/ECおよび国際法定計量機関(OIML)R 137が精度クラス1.5の精度温度補償型ガスメーターに対して発令した勧告に基づく最大許容誤差限界です。

測定された5つのフローセンサーのそれぞれの誤差曲線は、いずれも最大許容誤差限界の範囲内に収まっています。また、サーマルマスガスメーターの欧州規格、および熱質量流量計ベースの天然ガスメーターの欧州規格案(EN 17526)および超音波式家庭用ガスメーター(EN 14236)に基づき、それぞれ3%と1.5%の許容空熱比に準拠しています。

検査ガスはEN 437に準拠した検査ガスG 222であり、23%の水素を含みます。G 222は「限界試験ガス」と呼ばれます – EN 437に基づく第二種天然ガス混合物用ガス機器の試験に使用される最大水素含有量の混合ガスです。

ガスのフロー測定

水素の発熱量は低い(天然ガスよりも3分の1低い)ため、メーターを通るフロー
を同じエネルギーに維持するには、水素の流量を大幅に増やす必要があります。図 4 は比較測定誤差を示しています(H2 100%およびH2 98% + CO22%の5つのフローセンサーで最大20m3/hの参照ガスフロー)。2%の不純物は、ISO 14687で定義されているクラスA水素に許容される最大値です。繰り返しますが、クラス1.5メートルの±3.5%および±2.0%の誤差限界は黒色で示されています(Qmaxが20 m3/hの1メートルの場合)。

純水素と2%のCO2で汚染された水素の両方で動作する場合、 メーターは非常に良好に機能することが分かります。センサーのサイズ(およびメーターのサイズも)は、6 m3/hの天然ガスまたは20m 3/hの水素で動作させるかどうかにかかわらず、変えずに済むということが重要です。

操作上の安全性

センシリオンのサーマルマスフローセンサーは、天然ガスまたは水素を使用する場合、安全に関する制限はありません。マイクロセンサー素子の最高温度と最大蓄積熱エネルギーは、フローセンサーの電圧調整に不備があっても、水素の着火温度や着火エネルギーを大きく下回ります。センシリオンのサーマルマスフロー測定技術が純水素の条件の厳しいガス分析アプリケーションでも長年使用され、評価されているのはこのためです。

あらゆる水素含有率に対して一貫したコンパクトなサイズ

天然ガスに水素を添加する場合は、水素の体積あたりの発熱量が一般的な天然ガス混合物の約3倍であることを考慮する必要があります。実際には、天然ガスの代わりに純水素をガス機器の燃料に使用する場合、同等の火力を得るには、約3倍のガス量を供給しなければならないことになります。この場合、本来、天然ガス用に設計されたガスメーターは、水素を混合して増加したガス量を測定できる必要があります。その結果、より大きなサイズで、ダイナミックレンジも拡張された体積天然ガスメーターを選択する必要がある場合があります(天然ガスと純水素の両方と互換性が必要な場合)。メーターの外寸が大きいと、コストが高くなるかあるいは広い設置スペースが必要になります。水素を含まない天然ガス用に設計されたガスメーターに、本来よりも大量のガスがを流れると、メーターの機構部の摩耗が進み、寿命が短くなります。

同様に、超音波ガスメーターは、水素が天然ガスに比べて音速が速い(約3倍)ために生じる課題があります。つまり、音の伝達路を物理的に長くし、測定に使用する電子機器を大幅に高速化する必要があります。そのようなメーターはより大きく、複雑で、高価になると予想されます。

対照的に、熱質量流量測定技術は、可動部品がなく、質量流量を直接測定する静的測定原理です。つまり、体積流量が増加して追加の摩耗を引き起こしても、熱質量ガスメーターの耐用年数に影響しません。体積ガスメーターや超音波ガスメーターとは異なり、熱質量ガスメーターは同じサイズを維持でき、天然ガスで動作する場合でも、オプションの水素含有量で動作する場合でも同じようにシンプルに操作できます。熱質量測定原理では、メーターを流れる気体の量ではなく、混合気体のレイノルズ数を考慮することが重要なパラメーターになります。レイノルズ数は装置内で乱流(レイノルズ数が高い)または層流(レイノルズ数が低い)のどちらのフロー条件が形成されているかを示す流体力学パラメータです。純粋なメタンReCH4(天然ガス混合物)と純水素ReH2のレイノルズ数を比較すると、同じメーターの筐体形状であれば、ReH2の方がReCH4よりも6倍以上も低いことが分かります。水素の流量が3倍になったと仮定すると(天然ガスの3分の1という水素の発熱量の低さを補正するため)、ReH2はReCH4の約2倍になります。メタンに比べて水素はレイノルズ数が小さいため、体積流量が3倍になっても、同じメーター筐体の形状で常に安定した測定条件を保つことができます。

同様に、メーター全体の圧力降下は、求められる水素流量が多くても増加しません。メーター全体の圧力降下は、ガス密度×速度2乗に比例します。水素の密度はメタンの14分の1であるため、水素をメタンの3倍の速度で流す時の圧力損失は実際には低くなります。

そのため、同じサイズのメーターであれば、天然ガスと最大100%の水素の両方に容易に使用することができます。代表的なG4マスメーターは、天然ガスの運転中は6 m3/h、水素で使用した場合は20 m3/hを超えるQmaxを計測できます。さらに、使うガスの種類を切り替えるために再校正や設定の変更は不要で、同じセンサーが供給されるガスに合わせてシームレスに調整できます。 

まとめと今後の展望

ここで紹介する測定データは、熱質量測定原理が、様々な天然ガスと水素と純水素の混合物に対して、MIDにより規定された測定精度と空熱比の誤差限界に適合していることを示しています。100%の水素を使っても、操作上の安全性に制限は掛かりません。熱質量ガスメーターは非常にコンパクトなサイズであり、水素を混合した場合でも、このサイズを維持することができます。これは、機械式メーターと超音波式メーターを比較した場合の明確な利点です。熱質量ガスメーターの場合、高価な大型メーターを設計する必要がなく、物流や設置もシンプルで、価格を抑えられます

近年のガスメーターの技術的発達により、スマートメーターとしての通信機能が組み込まれています。水素混合ガスに対応することで、ガスメーター業界の近代化が進み、従来の機械・体積に基づく測定原理から、様々なメリットをもたらす水素によるオペレーションへの移行が可能になります。すでに世界で600万以上のガス利用者が、熱式ガスメーターで実現した信頼性の高い公正な請求システムの恩恵を受けています。今後、水素混合ガスによって、コンパクトで静的な測定技術の普及が促進されるでしょう。

センシリオンについて - 環境・フローセンサーのエキス
パート

スイスのシュテファを本社とするSensirion AGは、デジタルマイクロセンサーとシステムで世界をリードする製造メーカーです。ガスや液体フローセンサー、微差圧センサー、さらに温度・湿度測定、揮発性有機化合物(VOC)、二酸化炭素(CO₂)、ホルムアルデヒドや粒子状物質(PM2.5)など環境センサーまで、取り扱い製品は広範囲に渡って設計されています。米国、ヨーロッパ、中国、台湾、日本、韓国に営業所を展開する国際的なネットワークを通じ、様々なアプリケーションに適した標準およびカスタムセンサーシステムソリューションで、お客様をサポートしています。センシリオンのセンサー製品は、医療、産業、自動車、分析測定器、民生製品、HVAC製品などの分野で幅広く使用されています。

センシリオン製品最大の特徴は、センサー素子、ロジック、校正データ、デジタルインターフェースをチップに集積化し、スマートなシステムを実現する特許技術「CMOSens®技術」を採用していることです。信頼性の高いサプライヤーとしての位置付けは、得意固定顧客、品質に対する評価(ISO/TS 16949)、優れた顧客との履歴から、裏付けられています。

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