Kortfattat
- Förnybar energi på frammarsch: Vind-, vatten- och solkraft är energiomställningens kärna. De minskar behovet av fossila bränslen och bidrar till utfasning av kol, vilket gör dem till en grundpelare i ett hållbart energisystem som kan möta det växande behovet samtidigt som det värnar om klimatet.
- Naturgas som överbryggningsteknik: Trots den snabba utbyggnaden av förnybar energi kommer naturgas att fortsätta ha en avgörande roll i att säkerställa tillförlitlig och ekonomiskt fördelaktig energi de närmsta åren. Den fungerar som en överbryggningsteknik som ger stabilitet under tiden som renare alternativ växer och blir tillgängliga i större skala.
- Vätgas och lagring: För att kompensera för väderberoende förnybara energikällor och årstidsrelaterade variationer i förbrukningen krävs nya lösningar. Vätgas växer fram som en mångsidig energikälla, samtidigt som avancerad lagringsteknik krävs för att lagra överskottsenergi och ge stabilitet – och därmed ta oss ett steg närmare koldioxidneutral försörjning.
Vätgas i gasnätet
Framställningen av vätgas från förnybar energi och tillförseln av vätgas i befintliga gasnät är ett viktigt steg på vägen till koldioxidneutral energiförsörjning. Vätgas kan framställas på platser där det finns stor tillgång till förnybar energi. Dessutom kan den lagras och transporteras till konsumenten som en extra energibärare i de befintliga gasnäten. I befintliga distributionsnät för naturgas kan vätgas lagras och transporteras med en vätgashalt på upp till 30 vol%.
Näten för ren vätgas kommer i första hand att byggas ut regionalt. Sedan kan de gradvis kopplas samman för att bilda större nätverk. Man uppskattar att ett europeiskt nätverk för vätgastransport kan uppgå till 40 000 km nätverk år 2040.
Påverkan på gasflödesmätning
Möjligheten att mäta flödet av naturgas med tillsatt vätgas på ett tillförlitligt och stabilt sätt blir allt viktigare. Den förändrade gassammansättningen medför nya utmaningar för de olika mätteknikerna. Det beror på att den tillsatta vätgasen påverkar naturgasens egenskaper: gasens densitet, viskositet, explosivitet, flödes- och ljudhastighet förändras. Detta innebär helt nya utmaningar för rörledningar, kompressorer, tätningar, ventiler, mätteknik osv., till exempel när det gäller risken för läckor och explosioner eller fastställande av värmevärdet. Gasnätsoperatörer och gasleverantörer undrar därför hur detta kommer att påverka gasflödesmätarnas prestanda.
Ultraljudsflödesmätning har satt en ny standard för tillförlitlighet, tålighet och mätnoggrannhet i både naturgas- och processgasindustrin de senaste tjugo åren.
Att tillsätta en liten procentandel vätgas i naturgas innebär att gasblandningens ljudhastighet ökar avsevärt. Med 100 volymprocent vätgas är den ungefär tre gånger så hög som för naturgas. Diagrammen i Figur 1 visar ljudhastigheten för naturgas, en blandning med en vätgashalt på 30 vol% och ren vätgas.
Figur 1: Ljudhastighet för typisk naturgas (metanhalt på 90
vol%) och en vätgasinblandning på upp till 100 %
Detta ställer höga krav på utformningen av gasflödesmätare med ultraljud. Både det mätområde som motsvarar naturgas och den nödvändiga mätosäkerheten måste säkerställas. Detta innefattar att reducera spridningen av mätvärden, minska korskänsligheten för tryck, temperatur och fluktuationer i medier samt reducera strömningsmekaniska effekter.
För naturgas med en vätgasinblandning på upp till 30 vol% går det att kompensera för denna effekt.
Figur 2: Exempel på användning av en FLOWSIC-enhet
Ultraljudsflödesmätning: redo även för framtida krav
Man kan förvänta sig samma specifikationer och krav – särskilt när det gäller mätnoggrannhet – för framtida custody transfer-mätning av vätgasblandningar och ren vätgas som för naturgas. Gasflödesmätare med ultraljud (ultrasonic gas flow meters – USM) måste anpassas till den nya mätuppgiften.
Specifika rörledningar för vätgastransport kommer dock inte att skilja sig nämnvärt från naturgasledningar. Kraven liknar de som gäller för dagens naturgasmätare. För en energiekvivalent transportkapacitet krävs antingen en större nominell diameter eller högre flöden i transportsystemen. USM-enheter som är specifikt utformade för vätgas måste därför tillåta högre maximal gashastighet.
Eftersom USM-enheter uppfyller alla krav väl är de perfekta för flödesmätning vid custody transfer i framtida transport- och distributionsnät, såväl för vätgasblandningar som ren vätgas.
Fördelarna med flödesmätning med en USM-enhet är:
- stort intervall för nominell diameter (DN50 till DN1400)
- högt mätspann på ≥ 1:100
- blockeringsfri, ingen tryckförlust
- inga mekaniska rörliga delar, ingen pulsering
- högre flöden med vätgas
- kalibreringen kan överföras till andra medier.
Utöver klassificeringen enligt vätgashalt kan USM-enheter också delas in utifrån hur de används i processgastillämpningar, transportnät och distributionsnät:
Gaskvalitetsindikator (GQI): fastställande av vätgashalt
Gasflödesmätare med ultraljud har också ytterligare fördelar utöver de primära mätvärdena och den höga noggrannheten: Tack vare en integrerad ”gaskvalitetsindikator” (GQI) i mätaren kan enheten detektera förändringar i gassammansättningen via värdet för ljudhastighet. Även små förändringar i vätgashalten kan detekteras mycket noggrant tack vare vätgasens extremt höga ljudhastighet. Om referensgassammansättningen eller dess ljudhastighet (utan vätgas) är känd kan också vätgashalten fastställas ytterst exakt. Enheten jämför det uppmätta värdet för ljudhastighet med referensvärdet. Utifrån antagandet att eventuella skillnader enbart beror på inblandningen av vätgas kan vätgashalten fastställas direkt. Approximeringen görs med hjälp av en empirisk formel som är implementerad i USM-enhetens firmware.
Redo för custody transfer-mätning av 100 % vätgas
Moderna och avancerade vätgasgivare utvecklade för hög ljudhastighet, helt ny elektronik med en arbetsfrekvens på 1000 kHz och nya produktionskontroll- och testprocesser: Endress+Hauser presenterar FLOWSIC610, en ytterst modern ultraljudsflödesmätare som bygger på många års erfarenhet av debiteringsmätning och som är MID-godkänd för vätgasmätning vid custody transfer för alla dimensioner från DN50 till DN400 med noggrannhetsklass 1.
Utöver de standardiserade gränssnitten för datakommunikation är FLOWSIC610 utrustad med ett specifikt driftsättnings- och servicegränssnitt: den Bluetooth®-kompatibla adaptern möjliggör trådlösa anslutningar på upp till 30 m till Bluetooth®-kompatibla enheter. Inga ytterligare enhetsspecifika adaptrar krävs. En trådbunden adapter med USB-C-gränssnitt finns också tillgänglig.
Sammanfattning
Gasflödesmätare med ultraljud har använts framgångsrikt i mer än 20 år för mätning av gasmängd inom en rad olika användningsområden. Det innefattar mätning av gaser med olika vätgashalt. De enheter som används i dessa tillämpningar, liksom andra enheter från FLOWSIC-produktfamiljen, har redan anpassats och godkänts för beskattningsgrundande mätmetoder för naturgas med en vätgashalt på upp till 30 vol%. Gasnätsoperatörer kan följa trenden och föra in regenerativt producerad vätgas i befintliga gasnät samt transportera och lagra vätgasen utan att behöva investera i nya gasflödesmätare.
USM-enhetens diagnostikfunktioner möjliggör inte bara kvantitativ mätning utan också kvalitativ bestämning av gasen. Enheten tillhandahåller därmed en kompletterande analysmetod för vätgas. Detta kan, i vissa tillämpningar, ersätta kostsamma analystekniker för bestämning av vätgas, som extraktiv gaskromatografi.
För redan installerade enheter rekommenderas en inspektion av enhetens skick för att bedöma hur tillförsel av upp till 30 % vätgas kan påverka den. Man bör också kontrollera hur åldrande, installationsförhållanden och tryckregulatorer påverkar enheten. Denna bedömning kan Endress+Hausers serviceavdelning hjälpa till med.
