Das thermische Massenflussmessprinzip: Die beste Wahl für „H₂ Ready“-Gaszähler

Autoren: Michele Monitaro, Key Account Manager Industrial Market und Konrad Domanski, Product Manager Gas Metering Solutions
 

Der Europäische Green Deal ist der strategische Plan, mit welchem die Europäische Union bis 2050 klimaneutral werden soll. Damit dieses Ziel erreicht werden kann, wird der Dekarbonisierung des Energiesektors eine entscheidende Rolle zukommen, da dieser wesentlich zu Europas CO₂-Ausstoss beiträgt. Eine vielversprechende Strategie besteht darin, Erdgas zunehmend durch erneuerbare Gase, z. B. durch nachhaltig produzierten Wasserstoff oder Biogas, zu ersetzen. Wasserstoff bietet sich hierbei als besonders interessante Option an, sodass bereits jetzt Vorbereitungen getroffen werden, um die gesamte Gasinfrastruktur auf die geplante Umstellung vorzubereiten (so müssen beispielsweise ab 2025 alle neu installierten Gasheizkessel im Vereinigten Königreich mit reinem Wasserstoff kompatibel sein). Ein wesentlicher Baustein der Gasinfrastruktur stellen Gaszähler dar, welche für eine zuverlässige und faire Abrechnung des Gasverbrauchs unabdingbar sind.
 

In diesem Artikel beleuchten wir das messtechnische Verhalten von thermischen Massenflussmessern im Betrieb mit Erdgasgemischen mit signifikanten Anteilen an Wasserstoff und reinem Wasserstoff. Wir präsentieren Messdaten, diskutieren die Messgenauigkeit, besprechen das Thema Betriebssicherheit und erklären, warum die kompakte Baugrösse des thermischen Massenflussmessers unabhängig vom Wasserstoffanteil beibehalten werden kann – ein wichtiger Vorteil, den „H₂ Ready“-Lösungen im Vergleich zu anderen Zählertechnologien bieten.

Einleitung: thermisches Massenflussmessprinzip

Das Herzstück eines jeden thermischen Massenflusssensors, wie er in Gaszählern verwendet wird, bildet ein auf einem mikroelektromechanischen System (MEMS) basierendes kalorimetrisches Sensorelement, wie in Abbildung 1a) gezeigt. Das Sensorelement befindet sich auf einer Membran auf einem Silizium-Chip und besteht aus einem Mikro-Heizelement sowie einem flussaufwärts und einem flussabwärts integrierten Temperatursensor. 

Fliesst ein elektrischer Strom durch das Mikro-Heizelement, so generiert es ein Temperaturprofil auf der Membran. Ohne Gasfluss ist die Temperatur am flussaufwärts und am flussabwärts befindlichen Temperatursensor identisch (siehe Abbildung 1b)). Ein Gasfluss über die Membran generiert einen Wärmefluss – oder mit anderen Worten: eine Änderung des Temperaturprofils auf der Membran –, was eine Änderung der Temperatur zwischen dem flussaufwärts und dem flussabwärts positionierten Temperatursensor zur Folge hat (siehe Abbildung 1c)). Die resultierende Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren dient als präzise messbares Sensorsignal, welches eine Funktion der Flussgeschwindigkeit ist: je grösser die Temperaturdifferenz, desto grösser die Flussgeschwindigkeit des Gases über das Sensorelement.

Das thermische Massenflussmessprinzip basiert auf dem physikalischen Effekt der Wärmekonvektion. Folglich ist das Sensorsignal sowohl von der Flussgeschwindigkeit des Gases über die Membran als auch von den thermischen Eigenschaften der gemessenen Gasmischung abhängig.
 

Ein thermischer Durchflussmesser liefert demnach genaue Messdaten, wenn er entweder für ein bestimmtes Gasgemisch vorkalibriert wurde oder wenn er mit einer Routine ausgestattet ist, welche eine variierende Gasmischung bei der Flussmessung dynamisch berücksichtigt.
 

Gaszähler lassen sich für eine sehr grosse Anzahl an möglichen Gasmischungen einsetzen, und deren Zusammensetzung kann mit der Zeit variieren. Die individuelle Vorkalibrierung für sämtliche möglichen Gasmischungen ist in der Praxis kein gangbarer Weg. Daher sind die von Sensirion hergestellten thermischen Massenflusssensoren für Gaszähler mit einer proprietären, dynamischen Erdgas- und Wasserstofferkennungsroutine ausgestattet, um akkurate Flussmessungen selbst mit variierenden Gasgemischen sicherzustellen.
 

Versuchsaufbau

Die hier präsentierten Messdaten wurden mit thermischen Massenflusssensoren mit dynamischer Gaserkennungsroutine aufgenommen. Die Routine ist optimiert für Gase der Gruppen H, L und E gemäss EN 437:2018 mit einem Wasserstoffanteil bis zu 23 % sowie für reinen und nahezu reinen Wasserstoff. Das Ausgangssignal der Durchflusssensoren ist temperatur- und druckkompensiert in Standardkubikmeter pro Stunde (m3/h).
 

Die Durchflusssensoren wurden in einem generischen Gaszähler-Prototypengehäuse getestet, in welchem der Durchflusssensor am Gaszählergehäuseauslass platziert ist (siehe Abbildung 2a)). Die getesteten Gasmischungen (siehe Tabelle 1) wurden durch einen externen Gaslieferanten gemischt. Als Flussreferenzen dienten kritische Düsen, und die Messungen erfolgten bei Raumtemperatur. Der Messaufbau für die Flussmessungen ist schematisch in Abbildung 2b) gezeigt.

Flussmessungen in Erdgas-Wasserstoff-Gemischen

In Abbildung 3 sind die relativen Messfehler über den Referenz-Gasfluss bis 6 m3/h (Zähler G4) von fünf Durchflusssensoren in Luft, Methan und Erdgasgemischen mit einem Wasserstoffanteil von 5 %, 10 % und 23 % ersichtlich. Die in Schwarz eingezeichneten Fehlergrenzen von ±3.5 % und ±2.0 % entsprechen den geforderten Fehlergrenzen gemäss der europäischen Richtlinie 2016/32/EG über Messgeräte (MID) und den Empfehlungen der Internationalen Organisation für das gesetzliche Messwesen OIML R 137 für temperaturkompensierte Gaszähler der Genauigkeitsklasse 1.5.
 

Sämtliche Fehlerkurven aller fünf gemessenen Durchflusssensoren liegen deutlich innerhalb der geforderten Fehlergrenzen und erfüllen auch das Gas-zu-Luft-Verhältnis von 3 % bzw. 1.5 % gemäss der Europäischen Norm für thermische Massenflussgaszähler EN 17526 und der Europäischen Norm für Ultraschall-Haushaltsgaszähler EN 14236.
 

Beim Prüfgas mit dem Wasserstoffanteil von 23 % handelt es sich um das Prüfgas G222 gemäss EN 437. G222 gilt als „Obergrenzen-Prüfgas“ – eine Gasmischung mit dem maximalen Wasserstoffanteil zur Prüfung von Gasgeräten für Erdgasmischungen der zweiten Familie gemäss EN 437.

Flussmessungen in Wasserstoffgasen

Da Wasserstoff einen geringeren Brennwert hat (um den Faktor 3 niedriger als der von Erdgas), sind signifikant höhere Wasserstoffdurchflussraten erforderlich, um den Energiefluss durch den Zähler aufrechtzuerhalten. In Abbildung 4 sind die relativen Messfehler über den Referenz-Gasfluss bis 20 m³/h von fünf Durchflusssensoren in reinem Wasserstoff und in einem Gemisch aus 98 % Wasserstoff und 2 % Kohlendioxid angegeben. Die Verunreinigung von Wasserstoff der Gruppe A darf laut ISO 14687 höchstens 2 % betragen. Auch hier sind die Fehlergrenzen von ±3.5 % und ±2.0 % für Zähler der Genauigkeitsklasse 1.5 in Schwarz angegeben (für einen Zähler mit einer maximalen Durchflussrate von 20 m³/h).
 

Es wird klar ersichtlich, dass die Zähler sowohl beim Betrieb mit reinem Wasserstoff als auch beim Betrieb mit einer Mischung aus Wasserstoff und 2 % Kohlendioxid sehr gut arbeiten. An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass die Baugrösse des Sensors (und damit auch des Zählers) beibehalten werden kann – ganz gleich, ob er für Erdgas mit einem Durchfluss von 6 m³/h oder für Wasserstoff mit einem Durchfluss von 20 m³/h verwendet wird.

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.