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Freie Fahrt für die Brennstoffzelle

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

Auf dem Weg zu einer klimafreundlicheren Mobilität gewinnt Wasserstoff als Energieträger für Brennstoffzellen zunehmend an Bedeutung. Die sichere Befüllung von PKW an speziellen Tankstellen stellte jedoch bisher eine Herausforderung dar: Da sich Wasserstoff im Vergleich zu anderen Gasen beim Expandieren erwärmt, treten beim Betanken Druck- und Temperaturschwankungen auf, die es genau zu erfassen gilt. Andernfalls könnte es beim Überschreiten von Grenzwerten zum Entzünden oder zu Explosionen an der Säule und Schädigungen am Tank kommen. Daher hat die Heinrichs Messtechnik GmbH den TMU-W 004 Massedurchflussmesser entwickelt, der eine präzise Mengenerfassung trotz Druck- und Temperaturschwankungen gewährleistet. 

Das Gerät ist als erstes seiner Art nach der internationalen Norm OIML R 139 2018 zertifiziert und somit für Wasserstofftankstellen zugelassen. Ein robustes, schmal dimensioniertes Schutzgehäuse verbirgt speziell angeordnete Sensoren und Messchleifen, die sich die Coriolis-Kraft zu Nutze machen und eine präzise Durchflussmessung ermöglichen. Über den angeschlossenen Messumformer können die Signale der Sensoren ausgelesen und zur Bestimmung der Durchflussmenge weiter ausgewertet werden. Zeitgleich kann auch die Temperatur des Mediums erfasst werden. Der TMU-W 004 ist ausserdem für alle Hochdruckanwendungen bis 1.000 bar geeignet. 

 

Für eine wirtschaftlich sinnvolle Nutzung als Treibstoff ist eine Befüllung der Tanks unter hohem Druck erforderlich, da der Vorgang sonst zu viel Zeit in Anspruch nehmen würde. „Bei der Betankung der Brennstoffzellen in PKWs, die den Wasserstoff umwandeln, 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 und der Tank dann undicht wird.“ 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.

 

Im Vergleich zu herkömmlichen Tankanlagen gilt es bei der Betankung mit Wasserstoff besonders auf die Temperatur und den Druck zu achten. Bild: pixabay

 

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. 

Der Massedurchflussmesser TMU-W 004 ist speziell für das Handling von Wasserstoff und anderen Hochdruckanwendungen entwickelt worden. Dabei lässt sich ein Messbereich von 0,133 kg/min H2 bis 4 kg/min H2 abdecken. Bild: Heinrichs Messtechnik GmbH
 

Besondere Anordnung der Sensoren sorgt für präzise Ergebnisse 

Damit das Messgerät in vergleichsweise 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.
 
In einem kompakten und formstabilen Gehäuse befinden sich zwei in U-Formgebogene Messrohre, die parallel zueinander laufen. Die an den unteren Enden der Messschleifen, an optimierte Positionen angebrachten Sensoren erfassen die Phasenverschiebung und übermitteln diese an den Messumformer zur weiteren Auswertung. Bild: Heinrichs Messtechnik GmbH
 
 
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. 
 
Vom Messumformer aus lässt sich über Puls, Status oder 4-20mA Ausgang eine Auswertung der Durchflussmenge
vornehmen und weitere Werte wie z.B. die Temperatur ablesen. Bild: Heinrichs Messtechnik GmbH
 

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. 
 
 
Über die Heinrichs Messtechnik GmbH
Bereits seit über hundert Jahren befasst sich die 1911 in Düsseldorf gegründete Heinrichs Messtechnik GmbH mit der Entwicklung und dem Verkauf von Durchflussmessern. Zu einer der Kernzielgruppen gehörte von Anfang an die Chemie- und Petrochemiebranche, weshalb seit den 60er Jahren die Entwicklung von Ganzmetall-Schwebekörper-Durchflussmessern vorangetrieben wurde. Mitte der 1980er Jahre fertigte Heinrichs als erstes europäisches Unternehmen einen Massedurchflussmesser nach dem Coriolis-Prinzip und baute in den darauffolgenden Jahren die Palette der Coriolis-Geräte systematisch aus. Inzwischen beliefert das Unternehmen Kunden aus zahlreichen Industrien wie Chemie, Öl/Gas, Energie, Anlagen- und Maschinenbau. 2008 wurde Heinrichs Teil der Kobold-Gruppe, so dass der Betrieb dank der internationalen Niederlassungen des Konzerns über ein weites Vertriebsnetz verfügt. Am Hauptstandort in Köln, an dem derzeit 60 Mitarbeiter beschäftigt sind, werden alle Produkte noch selbst entwickelt und gefertigt.
 
 
Heinrichs Messtechnik GmbH
Robert-Perthel-Strasse 9, 50739 Köln
Tel. +49 221 49708-0
Fax: +49 221 49708-178
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