Füllstand in Flüssigwasserstofftanks messen: Kryotechnik, Dichte und Wärmeeintrag berücksichtigen

→ Produktkategorie: H² Füllstand

 

Die Füllstandmessung in einem Flüssigwasserstofftank gehört zu den anspruchsvollsten Aufgaben der Prozessmesstechnik. Flüssigwasserstoff, kurz LH₂, wird bei Temperaturen nahe −253 °C gespeichert. Bereits geringe Wärmeeinträge können einen Teil der Flüssigkeit verdampfen, die Tanktemperatur verändern und den Druck im Gasraum ansteigen lassen.

Ein Füllstandsensor muss deshalb mehr leisten als lediglich die Position einer Flüssigkeitsoberfläche zu erkennen. Messprinzip, Prozessanschluss, Werkstoffe, elektrische Durchführung, Tankisolierung und Kalibrierung müssen gemeinsam ausgelegt werden. Eine Sonde, die unter normalen Prozessbedingungen zuverlässig arbeitet, ist nicht automatisch für Temperaturen nahe 20 K geeignet.

Zusätzlich besitzt flüssiger Wasserstoff eine sehr geringe Dichte. Dadurch entsteht selbst in hohen Tanks nur ein kleiner hydrostatischer Differenzdruck. Temperatur- und Druckänderungen wirken sich auf Dichte, Verdampfung und teilweise auch auf die Eigenschaften des Messprinzips aus.

Geeignete und projektspezifisch auszulegende Messlösungen finden Sie in der ICS-Kategorie H² Füllstand. Ergänzende Sensoren für die Temperaturüberwachung von Wasserstoffsystemen sind unter H² Temperatursensoren zusammengefasst.

Warum ist die LH₂-Füllstandmessung so anspruchsvoll?

Wasserstoff muss auf ungefähr −253 °C abgekühlt werden, damit er bei niedrigem Druck flüssig vorliegt. Ein LH₂-Tank besteht deshalb üblicherweise aus einem inneren Behälter und einer hochwirksamen thermischen Isolierung beziehungsweise einem vakuumisolierten Außenmantel.

Für die Messtechnik ergeben sich daraus mehrere Herausforderungen:

• extrem niedrige Prozesstemperatur nahe 20 K,
• geringe Dichte des flüssigen Wasserstoffs,
• sehr geringe Dichte und hohe Beweglichkeit des Wasserstoffgases,
• Verdampfung durch unvermeidbaren Wärmeeintrag,
• Temperaturschichtung in Flüssigkeit und Gasraum,
• Druckänderungen während Befüllung, Lagerung und Entnahme,
• starke thermische Kontraktion von Sonden, Rohren und Tankbauteilen,
• hohe Anforderungen an Dichtheit und Werkstoffverträglichkeit,
• begrenzte Zugänglichkeit nach der Montage.

Ein Sensor kann den Tank außerdem selbst beeinflussen. Jede Sonde, elektrische Leitung und mechanische Durchführung bildet eine potenzielle Wärmebrücke von der Umgebung in das kryogene Innere. Die Messstelle muss deshalb nicht nur genau, sondern auch thermisch möglichst unauffällig sein.

Füllhöhe, Volumen und Masse unterscheiden

Ein Füllstandsensor misst zunächst eine Höhe oder eine davon abhängige elektrische Größe. Für den Betrieb werden jedoch häufig Volumen, Füllgrad oder Masse benötigt. Diese Größen dürfen nicht gleichgesetzt werden.

Füllhöhe

Die Füllhöhe beschreibt die Position der Flüssigkeitsoberfläche gegenüber einem festgelegten Bezugspunkt. Sie ist die direkte Ausgangsgröße vieler Radar-, kapazitiver und hydrostatischer Systeme.

Volumen

Das Volumen ergibt sich aus der Füllhöhe und der Tankgeometrie. Bei einem zylindrischen, kugelförmigen oder liegenden Tank ist die Beziehung zwischen Höhe und Volumen nicht über den gesamten Messbereich linear. Für die Umrechnung wird eine Tankkennlinie beziehungsweise Peiltabelle benötigt.

Masse

Die Masse ergibt sich aus Volumen und aktueller Dichte:

m = V × ρ

Die Dichte von LH₂ hängt von Temperatur und Druck ab. Ein unveränderter Flüssigkeitsstand kann deshalb nicht unter allen Betriebsbedingungen mit exakt derselben Wasserstoffmasse gleichgesetzt werden.

Für eine belastbare Bestandsberechnung werden daher häufig mehrere Messgrößen kombiniert:

• Füllhöhe,
• Flüssigkeits- und Gasraumtemperatur,
• Tankdruck,
• Tankgeometrie,
• thermodynamische Dichteberechnung.

Hydrostatische Differenzdruckmessung

Bei der hydrostatischen Messung wird der Druck am unteren Tankanschluss mit dem Druck im Gasraum verglichen. Der Gasraumdruck wirkt auf beide Seiten der Differenzdruckmessung und wird dadurch weitgehend kompensiert.

Der durch die Flüssigkeit erzeugte Differenzdruck beträgt näherungsweise:

Δp = ρ × g × h

Dabei bedeuten:

• Δp: hydrostatischer Differenzdruck,
• ρ: Dichte des flüssigen Wasserstoffs,
• g: Erdbeschleunigung,
• h: Füllhöhe über dem unteren Messanschluss.

Bei einer angenommenen Dichte von etwa 70,8 kg/m³ und einer Füllhöhe von 4 m entsteht lediglich:

Δp = 70,8 kg/m³ × 9,81 m/s² × 4 m ≈ 2.778 Pa ≈ 27,8 mbar

Selbst ein vier Meter hoher Tank erzeugt somit nur eine kleine Messspanne. Nullpunktdrift, Montagehöhe, Temperatureinfluss und zusätzliche Flüssigkeits- oder Gassäulen können im Verhältnis dazu erheblich sein.

Vorteile der Differenzdruckmessung

• direkter physikalischer Bezug zwischen Differenzdruck und Füllhöhe,
• Messung auch in geschlossenen und druckbeaufschlagten Tanks,
• keine lange Sonde über die gesamte Tankhöhe erforderlich,
• kontinuierliches Standardsignal möglich.

Besondere Schwierigkeiten bei LH₂

• sehr kleine hydrostatische Messspanne,
• Dichteänderung durch Temperatur und Druck,
• Phasenwechsel in Anschlussleitungen,
• Wärmeeintrag über Prozessanschlüsse und Messleitungen,
• mögliche Gasblasen beziehungsweise Flüssigkeitssäulen in ungeeigneten Leitungen,
• starke Anforderungen an den Temperaturbereich der Messzelle und Druckübertragung.

Gewöhnliche flüssigkeitsgefüllte Druckmittler oder Kapillarsysteme dürfen nicht ohne ausdrückliche Eignungsbestätigung eingesetzt werden. Standardfüllflüssigkeiten können bei kryogenen Temperaturen erstarren, stark viskos werden oder ihre Übertragungseigenschaften verlieren.

Bei einer projektspezifischen Differenzdrucklösung müssen deshalb Prozessanschlüsse, thermische Entkopplung, Leitungsführung und Lage des Transmitters bereits in der hydrostatischen Berechnung berücksichtigt werden.

Radar- und Mikrowellenmessung

Radar misst den Abstand zwischen einer Antenne und der Flüssigkeitsoberfläche anhand reflektierter elektromagnetischer Wellen. Der Füllstand ergibt sich aus der bekannten Tankhöhe und dem gemessenen Abstand.

Der wesentliche Vorteil besteht darin, dass keine lange Messsonde bis in die Flüssigkeit reichen muss. Dadurch kann der zusätzliche Wärmeeintrag in den Tank geringer ausfallen als bei einer massiven Stabsonde.

Bei Flüssigwasserstoff ist die Radarmessung dennoch nicht automatisch einfach. Wasserstoff besitzt nur geringe dielektrische Eigenschaften. Dadurch kann das reflektierte Messsignal schwächer sein als bei Wasser, Öl oder vielen Chemikalien.

Für die Auslegung müssen unter anderem geprüft werden:

• Dielektrizitätskontrast zwischen LH₂ und Wasserstoffdampf,
• Antennen- und Frequenzkonzept,
• Tankhöhe und gewünschte Messauflösung,
• Störreflexionen durch Einbauten, Leitungen und Tankboden,
• Geometrie des Prozessstutzens,
• kryogene Eignung von Antenne und Prozessfenster,
• Kondensation oder Vereisung außerhalb des kryogenen Innenraums,
• freie Sicht auf die Flüssigkeitsoberfläche,
• Bewegung und Aufschäumen während der Befüllung.

Ein Standard-Radartransmitter für normale Lagertanks darf nicht allein aufgrund seines Messbereichs für LH₂ eingesetzt werden. Prozessanschluss, Antennensystem, Dichtheit und Temperaturentkopplung müssen für die konkrete Tankkonstruktion qualifiziert sein.

Geführte Mikrowelle

Bei der geführten Mikrowelle wird der Radarimpuls entlang einer Stab- oder Seilsonde geführt. Das Verfahren kann Reflexionen gezielt an der Phasengrenze erfassen, bringt jedoch eine Sonde über einen großen Teil der Tankhöhe in das Innere ein.

Für LH₂ müssen dabei der Wärmeeintrag über die Sonde, die thermische Schrumpfung, mechanische Befestigung und mögliche Schwingungen während Befüllung und Transport bewertet werden.

Kapazitive Füllstandmessung

Kapazitive Sonden nutzen den Unterschied der elektrischen Permittivität von flüssigem und gasförmigem Wasserstoff. Ein Teil der Sonde befindet sich im Gasraum, der andere Teil in der Flüssigkeit. Mit zunehmendem Füllstand verändert sich die Gesamtkapazität.

Kapazitive Systeme werden seit Langem für kryogene Flüssigkeiten eingesetzt. Sie ermöglichen sowohl kontinuierliche Messungen als auch mehrere diskrete Schaltpunkte.

Vorteile

• kontinuierliche Messung über einen großen Teil der Tankhöhe,
• keine beweglichen Teile,
• sehr schmale Sondenkonstruktionen möglich,
• mehrere Messsegmente oder redundante Elektroden realisierbar,
• direkte Erfassung der Flüssig-Gas-Grenze.

Zu berücksichtigende Einflüsse

• geringer absoluter Kapazitätsunterschied,
• Änderung der Dielektrizitätskonstante mit Temperatur und Druck,
• Streukapazitäten von Kabeln und Durchführungen,
• thermische Verformung und Längenänderung der Sonde,
• elektrische Isolation bei kryogenen Temperaturen,
• Endeffekte am oberen und unteren Sondenbereich,
• Tankgeometrie und Einbauten,
• mögliche Zweiphasen- oder Schaumbereiche.

Die Auswerteelektronik wird möglichst außerhalb des kryogenen Bereichs angeordnet. Die Verbindung zwischen Sonde und Elektronik muss elektrisch stabil, hermetisch dicht und gegen äußere Störungen geschützt sein.

Eine Kalibrierung mit Wasser oder Stickstoff kann das grundsätzliche Verhalten prüfen, ersetzt aber nicht automatisch die LH₂-spezifische Kennlinie. Die dielektrischen Eigenschaften und Temperaturbedingungen unterscheiden sich deutlich.

Temperaturbasierte Füllstanderkennung

Entlang einer vertikalen Sonde können mehrere Temperatursensoren angeordnet werden. Sensoren im flüssigen Wasserstoff zeigen ein anderes thermisches Verhalten als Sensoren im Gasraum. Dadurch lässt sich die Lage der Phasengrenze näherungsweise bestimmen.

Das Verfahren eignet sich insbesondere für:

• diskrete Füllstandpunkte,
• zusätzliche Plausibilitätskontrolle,
• Erkennung von Temperaturgradienten,
• Überwachung während Befüllung und Entnahme,
• Forschungs- und Versuchsanlagen.

Eine Temperaturmesskette liefert jedoch nicht automatisch einen hochauflösenden kontinuierlichen Füllstand. Wärmeleitung entlang der Sonde, Ansprechzeit, Sensorabstände und thermische Schichtung können den erkannten Übergang verbreitern.

Die Temperatursensoren müssen für Temperaturen nahe 20 K qualifiziert sein. Ein Sensor mit einem spezifizierten unteren Messbereich von −196 °C ist nicht ausreichend, da LH₂ rund 57 K kälter ist.

Tankverwiegung als alternative Messung

Bei kleineren Tanks oder Versuchsanlagen kann der gesamte Tank auf Wägezellen gelagert werden. Die Masse des enthaltenen Wasserstoffs ergibt sich aus der Gesamtmasse abzüglich Tank, Rohrleitungen und Anbauteilen.

Vorteile

• keine zusätzliche Sonde im kryogenen Innenraum,
• direkte Bestimmung der enthaltenen Masse,
• weitgehend unabhängig von Dichteänderungen,
• geeignet als Referenz für andere Messverfahren.

Nachteile

• Kräfte aus Rohrleitungen und Kompensatoren beeinflussen die Messung,
• Tanklagerung muss für Wägezellen ausgelegt werden,
• Wind-, Vibrations- und Beschleunigungseinflüsse,
• hohe Anforderungen bei großen stationären Tanks,
• Auftrieb und Druckkräfte können zusätzliche Korrekturen erfordern.

Bei mobilen Tanks ist die Verwiegung während der Fahrt nur eingeschränkt verwendbar. Für stationäre Referenzmessungen kann sie jedoch eine wertvolle unabhängige Vergleichsgröße liefern.

Wärmeeintrag durch Sensoren und Durchführungen

Jede Verbindung zwischen Umgebung und Tankinnerem leitet Wärme. Dazu gehören:

• Sondenstäbe und Schutzrohre,
• Kapillaren und Impulsleitungen,
• elektrische Leitungen,
• Flansche und Prozessstutzen,
• Stecker und hermetische Durchführungen,
• mechanische Halterungen.

Der Wärmeeintrag kann lokal LH₂ verdampfen und Gasblasen am Sensor erzeugen. Bei hydrostatischen oder kapazitiven Messungen können solche lokalen Zweiphasenbereiche das Signal verändern.

Zur Reduzierung des Wärmeeintrags dienen unter anderem:

• kleine wärmeleitende Querschnitte,
• möglichst kurze metallische Wärmebrücken,
• thermische Ankerpunkte an geeigneten Temperaturstufen,
• dünnwandige Sondenkonstruktionen,
• geeignete Werkstoffe und Leitungslegierungen,
• Integration in die Vakuum- und Mehrschichtisolierung,
• Anordnung der Elektronik außerhalb des kryogenen Bereichs.

Die kleinste Sonde ist nicht automatisch die beste. Sie muss auch Druck, Vibration, Transportbelastung und den thermischen Schrumpfweg sicher aufnehmen können.

Werkstoffe, Dichtungen und thermische Kontraktion

Werkstoffe verändern bei der Abkühlung auf 20 K ihre Abmessungen und mechanischen Eigenschaften. Unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten können hohe Spannungen an Flanschen, Lötstellen, Isolatoren und elektrischen Durchführungen verursachen.

Für die Auswahl sind unter anderem zu prüfen:

• Zähigkeit bei kryogenen Temperaturen,
• Wasserstoffverträglichkeit,
• Schweißbarkeit und Qualität der Schweißnähte,
• thermische Kontraktion der kombinierten Werkstoffe,
• Permeation und zulässige Leckagerate,
• Druckwechsel- und Ermüdungsfestigkeit,
• Verhalten bei Aufwärm- und Abkühlzyklen.

Elastomerdichtungen sind bei Temperaturen nahe 20 K nur einsetzbar, wenn sie ausdrücklich dafür qualifiziert wurden. Häufig werden geschweißte Verbindungen, metallische Dichtsysteme oder speziell entwickelte kryogene Durchführungen bevorzugt.

Auch Kabelisolationen und elektrische Vergusswerkstoffe müssen den gesamten Temperaturzyklus überstehen. Eine Konstruktion kann bei Raumtemperatur dicht sein und dennoch während des Abkühlens durch unterschiedliche Schrumpfung undicht werden.

Tankdruck und Boil-off berücksichtigen

Auch bei sehr guter Isolierung gelangt Wärme in einen LH₂-Tank. Ein Teil der Flüssigkeit verdampft und erhöht die Gasmenge beziehungsweise den Druck im Tank. Dieser Vorgang wird als Boil-off bezeichnet.

Der Tankdruck beeinflusst:

• Sättigungstemperatur des Wasserstoffs,
• Dichte der Flüssigkeit,
• Dichte und Zustand des Gasraums,
• hydrostatische Umrechnung,
• Belastung von Tank und Sensoranschlüssen,
• Entlüftungs- und Druckregelvorgänge.

Bei geschlossenen Tanks reicht eine Messung des unteren Absolutdrucks deshalb nicht zur Füllstandbestimmung aus. Änderungen des Gasraumdrucks würden fälschlich als Füllstandsänderung erscheinen. Erforderlich ist eine Differenzmessung zum Gasraum oder eine rechnerische Druckkompensation mit zwei ausreichend genauen Druckmessungen.

Für die Bestandsberechnung sollten Füllstand, Tankdruck und mehrere Temperaturmessstellen gemeinsam ausgewertet werden. Ein einzelner Temperaturwert kann eine ausgeprägte Schichtung im Tank nicht vollständig beschreiben.

Toträume, Blindzonen und Mindestfüllstand

Kein Messsystem erfasst automatisch den vollständigen Tankinhalt von der tiefsten bis zur höchsten Stelle. Typische Einschränkungen sind:

• Radartotzone nahe der Antenne,
• Störreflexionen am Tankboden,
• Endeffekte einer kapazitiven Sonde,
• Abstand zwischen unterem Druckanschluss und tatsächlichem Tankboden,
• nicht nutzbarer Restinhalt unterhalb der Entnahmeleitung,
• Gaspolster oberhalb des maximal zulässigen Füllstands,
• Einbauten und Schwappbleche.

Für die Skalierung müssen daher mindestens folgende Bezugspunkte festgelegt werden:

• mechanischer Tanknullpunkt,
• Messnullpunkt des Sensors,
• nutzbarer Mindestfüllstand,
• normaler maximaler Betriebsfüllstand,
• unabhängiger Überfüllgrenzwert,
• gesamtes geometrisches Tankvolumen.

Die Anzeige „0 %“ muss nicht bedeuten, dass der Tank vollständig leer ist. Ebenso darf „100 %“ bei einem kryogenen Tank nicht dem vollständigen geometrischen Volumen entsprechen, da ein definierter Gasraum für thermische Ausdehnung und Betriebsführung erforderlich sein kann.

Kalibrierung und Dichtekompensation

Eine belastbare Kalibrierung muss zum Messprinzip passen.

Differenzdruckmessung

Der Drucktransmitter kann mit einem Druckkalibrator elektrisch und messtechnisch geprüft werden. Damit wird jedoch nur die Druckmesskette kontrolliert. Dichte, Höhenlage, Leitungsführung und Tankgeometrie müssen zusätzlich berücksichtigt werden.

Kapazitive Messung

Zu prüfen sind Leer- und Vollwert, Streukapazität, Temperaturverhalten und gegebenenfalls mehrere Zwischenpunkte. Die Kennlinie kann durch Tankgeometrie und Elektrodenaufbau nichtlinear sein.

Radar

Die Abstandsreferenz, Tankhöhe, Blockdistanz und Störsignalausblendung müssen in der realen Einbausituation kontrolliert werden. Eine Kalibrierung außerhalb des Tanks bildet Reflexionen durch Einbauten nicht vollständig ab.

Temperaturmesskette

Jeder Messpunkt muss für den kryogenen Bereich kalibriert beziehungsweise qualifiziert werden. Leitungswiderstand, Eigenerwärmung und Wärmeleitung entlang der Sonde sind zu berücksichtigen.

Für die Masseberechnung ist zusätzlich ein geeignetes Dichtemodell erforderlich. Eine feste Dichte kann für eine einfache Betriebsanzeige ausreichen, führt aber bei wechselndem Druck und Temperaturzustand zu systematischen Abweichungen.

Redundanz und Überfüllsicherung

Die kontinuierliche Füllstandmessung sollte nicht automatisch die einzige Schutzmaßnahme gegen Überfüllung sein. Insbesondere bei sicherheitskritischen LH₂-Anlagen können getrennte Funktionen erforderlich sein:

• kontinuierliche Betriebsanzeige,
• unabhängiger High-Alarm,
• unabhängiger High-High-Grenzstand,
• Abschaltung beziehungsweise Schließen der Befüllarmatur,
• Plausibilisierung über Druck, Temperatur oder Tankmasse,
• Diagnose bei Leitungsbruch und Sensorsignalfehler.

Redundante Sensoren sollten möglichst nicht alle dieselbe systematische Fehlerursache besitzen. Zwei identische hydrostatische Messungen können beispielsweise gleichzeitig durch eine falsche Dichteannahme beeinflusst werden.

Eine Kombination verschiedener Messprinzipien kann die Diagnose verbessern, etwa kontinuierliche Kapazitätsmessung plus unabhängiger kryogener Grenzschalter oder Tankverwiegung als Referenz.

Systematischer Auswahl- und Planungsablauf

1. Messziel definieren: Füllhöhe, Volumen, Masse, Bestandsführung oder Überfüllschutz unterscheiden.
2. Tankdaten aufnehmen: Geometrie, Innenhöhe, Isolierung, Einbauten und nutzbaren Füllbereich dokumentieren.
3. Betriebszustände festlegen: Temperatur, Druck, Befüllung, Lagerung, Entnahme, Aufwärmung und Störung berücksichtigen.
4. Messprinzip vorauswählen: Differenzdruck, Radar, Kapazität, Temperaturkette oder Verwiegung vergleichen.
5. Messspanne berechnen: Bei hydrostatischer Messung die geringe LH₂-Dichte berücksichtigen.
6. Wärmeeintrag bewerten: Sonden, Leitungen, Flansche und Durchführungen thermisch bilanzieren.
7. Werkstoffe auswählen: Kryogene Zähigkeit, H₂-Verträglichkeit und Kontraktion prüfen.
8. Prozessanschlüsse planen: Dichtheit, Wartbarkeit, Toträume und Vakuumintegrität beachten.
9. Druck- und Temperaturkompensation festlegen: Erforderliche Zusatzsensoren und Dichtemodell bestimmen.
10. Signal und Auswertung definieren: 4–20 mA, HART, digitaler Bus oder Spezialelektronik festlegen.
11. Redundanz planen: Betriebsanzeige und unabhängigen Überfüllschutz trennen.
12. Kalibrierkonzept erstellen: Werkprüfung, Kaltprüfung, Tankkennlinie und Vor-Ort-Prüfung festlegen.
13. Lebenszyklus berücksichtigen: Zugänglichkeit, Austausch, Dichtheitsprüfung und Wiederholkalibrierung planen.

Typische Fehler bei LH₂-Füllstandmessstellen

Fehler	Mögliche Folge	Geeignete Maßnahme
Standardsensor nur anhand des Messbereichs ausgewählt	Versagen bei kryogener Temperatur	Temperatur-, Werkstoff- und LH₂-Eignung vollständig bestätigen lassen
Konstante Dichte ohne Temperaturbezug verwendet	Fehler bei Masse- und Volumenberechnung	Dichte anhand von Druck und Temperatur kompensieren
Gasraumdruck nicht kompensiert	Druckänderung wird als Füllstandsänderung angezeigt	Differenzdruck zum Gasraum messen
Hydrostatische Messspanne überschätzt	Ungeeigneter oder zu ungenauer Druckbereich	Messspanne mit realer LH₂-Dichte berechnen
Gewöhnlicher Druckmittler mit Standardfüllflüssigkeit	Erstarren oder verzögerte Druckübertragung	Ausschließlich bestätigte kryogene Systemausführung verwenden
Massive Sonde ohne Wärmebilanz	Erhöhter Boil-off und lokale Gasblasenbildung	Wärmeleitung minimieren und thermische Anker vorsehen
Kapazitive Sonde nur bei Raumtemperatur geprüft	Falsche Kennlinie unter LH₂-Bedingungen	Kryogenes Temperatur- und Kalibrierverhalten berücksichtigen
Tankgeometrie linear skaliert	Falsche Volumenanzeige bei Kugel- oder Liegetank	Tankkennlinie beziehungsweise Peiltabelle hinterlegen
Sensor mit unterer Grenze −196 °C eingesetzt	Betrieb weit außerhalb der Spezifikation	Sensor für Temperaturen nahe −253 °C auswählen
Betriebsanzeige als alleinige Überfüllsicherung verwendet	Keine unabhängige Schutzfunktion	Separaten High-High-Grenzstand vorsehen

Praxisbeispiel: Füllstand in einem geschlossenen LH₂-Tank

Ein stationärer, vakuumisolierter LH₂-Tank besitzt eine wirksame Messhöhe von 4 m. Der Füllstand soll kontinuierlich für die Betriebsführung erfasst werden. Zusätzlich wird eine unabhängige Überfüllabschaltung benötigt.

Für die Vorauslegung werden folgende Anforderungen festgelegt:

• kontinuierlicher Messbereich von 0 bis 4 m,
• geschlossener Tank mit veränderlichem Gasraumdruck,
• Dichtekompensation für Bestandsberechnung,
• möglichst geringer zusätzlicher Wärmeeintrag,
• unabhängiger High-High-Grenzstand,
• Plausibilisierung mit Temperatur- und Druckmessung.

Bewertung der Differenzdruckmessung

Bei einer Dichte von etwa 70,8 kg/m³ beträgt die maximale hydrostatische Messspanne nur ungefähr 27,8 mbar. Der erforderliche Differenzdrucktransmitter muss deshalb einen sehr kleinen Bereich mit ausreichender Langzeitstabilität erfassen.

Der untere Anschluss erfasst den Flüssigkeitsdruck, die Niederdruckseite den Gasraumdruck. Beide Anschlusswege werden speziell für LH₂, den Wärmeeintrag und mögliche Phasenwechsel ausgelegt. Eine gewöhnliche Druckmittlerfüllung wird nicht verwendet, solange ihre Eignung für 20 K nicht ausdrücklich bestätigt ist.

Bewertung einer kapazitiven Sonde

Eine schlanke kapazitive Sonde kann den gesamten Füllbereich erfassen. Sie wird mechanisch so ausgelegt, dass thermische Schrumpfung und Tankbewegungen keine unzulässigen Spannungen erzeugen. Die elektrische Durchführung befindet sich im Tankdeckel und wird in die Vakuumisolierung integriert.

Die Kennlinie wird mit Leerwert, mehreren Zwischenpunkten und Vollwert qualifiziert. Temperatur und Tankdruck werden parallel erfasst, damit Dichte und mögliche dielektrische Einflüsse berücksichtigt werden können.

Ausgewähltes Messkonzept

Für die Betriebsanzeige wird im Beispiel eine projektspezifische kapazitive LH₂-Sonde verwendet. Ein davon unabhängiger kryogener Grenzstandsensor löst die High-High-Abschaltung aus.

Tankdruck und mehrere Temperaturmessstellen werden zusätzlich erfasst. Die Steuerung berechnet aus Füllhöhe, Tankkennlinie und thermodynamisch bestimmter Dichte das aktuelle Volumen und die geschätzte Wasserstoffmasse.

Während der Inbetriebnahme werden die Messwerte mit der eingefüllten Masse beziehungsweise einer Referenzverwiegung verglichen. Dadurch lassen sich Montagefehler, falsche Skalierung und Abweichungen der Tankkennlinie erkennen.

Welche Produkte und Lösungen eignen sich?

Projektspezifische H²-Füllstandlösungen

Die Kategorie H² Füllstand umfasst Lösungen und Komponenten für die Füllstandmessung in Wasserstoffsystemen. Für Flüssigwasserstoff muss die Eignung jeder Ausführung jedoch ausdrücklich für Temperaturen nahe −253 °C, die geringe LH₂-Dichte und die konkrete Tankkonstruktion bestätigt werden.

Standard-Bypassanzeiger mit Schwimmer sind wegen der sehr geringen LH₂-Dichte und ihrer häufig nur bis −196 °C spezifizierten Ausführung nicht automatisch geeignet. Eine Sonderausführung darf nur verwendet werden, wenn Temperaturbereich, Schwimmerauftrieb, Werkstoffe und Prozessanschlüsse projektspezifisch nachgewiesen sind.

Kapazitive und mikrowellenbasierte Sondersysteme

Kapazitive Sonden, geführte Mikrowelle oder Radar können je nach Tankgeometrie und Qualifizierung eingesetzt werden. Entscheidend sind die kryogene Ausführung der medienberührten Komponenten, die geringe dielektrische Reflexion, der Wärmeeintrag sowie die Kalibrierung unter realen Druck- und Temperaturbedingungen.

Eine Auswahl ausschließlich anhand von Messbereich, Ausgangssignal oder Ex-Zulassung ist nicht ausreichend.

Kryogene H²-Temperatursensoren

Temperaturmessungen im Flüssigkeits- und Gasraum unterstützen die Dichtekompensation, die Erkennung von Schichtung und die Bewertung von Boil-off. In der Kategorie H² Temperatursensoren finden Sie passende Produktgruppen und projektspezifische Lösungen.

Für den direkten Einsatz in LH₂ muss der Sensor ausdrücklich bis nahe 20 K beziehungsweise −253 °C spezifiziert sein. Ein Standard-Widerstandsthermometer mit einer unteren Einsatzgrenze von −196 °C ist für diesen Zweck nicht ausreichend.

ICS Schneider Messtechnik unterstützt bei der Auswahl des Messprinzips, der hydrostatischen Berechnung, der Auslegung von Werkstoffen und Prozessanschlüssen sowie bei Temperaturkompensation, Tanklinearisierung, Signalverarbeitung und Kalibrierkonzept.

Fazit

Die Füllstandmessung in Flüssigwasserstofftanks erfordert eine vollständige Betrachtung von Kryotechnik, Tankgeometrie, Dichte, Druck und Wärmeeintrag. Ein Standardsensor für gewöhnliche Flüssigkeiten kann nicht unverändert übernommen werden.

Die hydrostatische Differenzdruckmessung liefert wegen der geringen LH₂-Dichte nur eine kleine Messspanne. Sie benötigt eine zuverlässige Kompensation des Gasraumdrucks und eine speziell für den kryogenen Betrieb ausgelegte Druckübertragung.

Kapazitive Sonden bieten eine bewährte Möglichkeit zur kontinuierlichen Messung, müssen jedoch hinsichtlich Temperatur, Druck, Streukapazität und Wärmeleitung qualifiziert werden. Radar kann den Eingriff in den Tank reduzieren, benötigt wegen der geringen dielektrischen Eigenschaften von Wasserstoff aber eine anwendungsbezogene Prüfung.

Temperatursensoren liefern wichtige Zusatzinformationen, ersetzen aber nicht in jeder Anwendung eine kontinuierliche Füllstandmessung. Für eine belastbare Bestandsberechnung müssen Füllhöhe, Tankkennlinie, Druck, Temperatur und Dichte gemeinsam ausgewertet werden.

Ein gutes Messkonzept minimiert den Wärmeeintrag, berücksichtigt thermische Kontraktion und verwendet geeignete kryogene Werkstoffe sowie hermetische Durchführungen. Betriebsanzeige und unabhängige Überfüllsicherung sollten als getrennte Funktionen geplant werden.

Häufige Fragen zur Füllstandmessung in Flüssigwasserstofftanks

Bei welcher Temperatur wird flüssiger Wasserstoff gelagert?

Bei niedrigem Druck liegt der Siedepunkt von Wasserstoff bei ungefähr −253 °C beziehungsweise rund 20 K. Der genaue Zustand hängt vom Tankdruck ab.

Warum ist die Differenzdruckmessung bei LH₂ schwierig?

Flüssigwasserstoff besitzt nur eine geringe Dichte. Dadurch erzeugt selbst eine mehrere Meter hohe Flüssigkeitssäule nur einen kleinen Differenzdruck. Nullpunkt- und Temperatureinflüsse werden deshalb besonders relevant.

Kann ein normaler Drucktransmitter verwendet werden?

Nur wenn die vollständige Messanordnung für die Druckspanne, die kryogenen Anschlüsse und die thermische Entkopplung ausgelegt ist. Der Transmitter selbst kann in einem wärmeren Bereich montiert werden, die Druckübertragung muss jedoch speziell geplant werden.

Ist Radar für Flüssigwasserstoff geeignet?

Radar kann grundsätzlich infrage kommen. Wegen der geringen dielektrischen Eigenschaften von Wasserstoff und der extremen Temperatur muss die konkrete Kombination aus Frequenz, Antenne, Prozessanschluss und Tankgeometrie jedoch qualifiziert werden.

Warum werden kapazitive Sonden eingesetzt?

Sie besitzen keine beweglichen Teile und können die Flüssig-Gas-Grenze kontinuierlich über einen großen Messbereich erfassen. Temperatur- und Druckeinflüsse auf die Kapazität müssen bei der Kalibrierung berücksichtigt werden.

Kann ein Sensor bis −196 °C für LH₂ verwendet werden?

Nein. Flüssigwasserstoff liegt bei ungefähr −253 °C und damit deutlich unter −196 °C. Sensor, Durchführung und alle verwendeten Materialien müssen für den tatsächlichen LH₂-Temperaturbereich spezifiziert sein.

Wie wird aus dem Füllstand die Wasserstoffmasse berechnet?

Zunächst wird die Füllhöhe über die Tankkennlinie in ein Volumen umgerechnet. Dieses Volumen wird anschließend mit der anhand von Temperatur und Druck bestimmten Flüssigkeitsdichte multipliziert.

Warum verursacht eine Messsonde zusätzlichen Boil-off?

Die Sonde und ihre Leitungen transportieren Wärme aus der Umgebung in den Tank. Diese Wärme kann lokal Wasserstoff verdampfen und dadurch den Boil-off erhöhen.

Reicht eine kontinuierliche Füllstandmessung als Überfüllschutz?

Bei sicherheitskritischen Anlagen sollte eine unabhängige Grenzstandfunktion vorgesehen werden. Dadurch führt ein Fehler der kontinuierlichen Messung nicht automatisch zum Verlust der Überfüllsicherung.