Wasserstoff-Durchfluss messen: Massedurchfluss, Druck und Temperatur richtig bewerten

→ Produktkategorie: H² Wasserstoff-Anwendungen

 

Bei Wasserstoff ist die Angabe eines Durchflusswertes allein häufig nicht ausreichend. Ein Wert von 100 m³/h kann je nach Druck und Temperatur eine völlig andere transportierte Wasserstoffmenge beschreiben. Wird derselbe Massenstrom verdichtet, sinkt das tatsächlich durchströmende Gasvolumen. Wird das Gas erwärmt oder entspannt, steigt das Volumen wieder an.

Für Elektrolyseure, Brennstoffzellen, Verdichter, Prüfstände und Speicheranlagen ist deshalb entscheidend, welche Durchflussgröße gemessen oder berechnet wird. Betriebsvolumenstrom, Normvolumenstrom und Massedurchfluss sind nicht austauschbar. Sie beantworten unterschiedliche Fragen und benötigen unterschiedliche Angaben zu Druck, Temperatur und Bezugsbedingungen.

Der Massedurchfluss ist häufig die aussagekräftigste Größe, wenn Wasserstoff bilanziert, dosiert oder hinsichtlich der Prozesseffizienz bewertet werden soll. Er beschreibt die tatsächlich transportierte Masse pro Zeit und bleibt bei einer reinen Druck- oder Temperaturänderung grundsätzlich gleich. Der Betriebsvolumenstrom ist dagegen besonders wichtig für Rohrdimensionierung, Strömungsgeschwindigkeit, Ventilauslegung und Druckverlust.

Dieser Beitrag erklärt die Unterschiede, zeigt geeignete Messprinzipien und beschreibt, worauf bei Druckverlust, Einbau, Dichtheit und Kalibrierung zu achten ist. Geeignete Lösungen finden Sie in der Kategorie H²-Durchflussmesser. Einen Überblick über weitere Messprinzipien bietet der Bereich Durchflussmesstechnik.

Warum ist Wasserstoff-Durchflussmessung anspruchsvoll?

Wasserstoff besitzt eine sehr geringe Dichte und ist stark kompressibel. Bereits Änderungen des Prozessdrucks oder der Gastemperatur verändern das tatsächlich durchströmende Volumen deutlich. Ein Volumenstromwert ist deshalb nur dann eindeutig, wenn auch die dazugehörigen Druck- und Temperaturbedingungen bekannt sind.

Hinzu kommen besondere Anforderungen an Dichtheit und Werkstoffauswahl. Wasserstoff kann durch ungeeignete Dichtungen und Werkstoffe leichter austreten als viele andere technische Gase. Prozessanschlüsse, Schweißnähte, Ventile und Messrohre müssen deshalb für die konkrete Wasserstoffanwendung ausgelegt sein.

Auch das Messprinzip muss zum Prozess passen. Ein Elektrolyseur kann vergleichsweise geringe, langsam schwankende Gasströme liefern. Ein Brennstoffzellenprüfstand benötigt möglicherweise schnelle Reaktionen auf Lastwechsel. Bei einer Betankungs- oder Verdichtungsanlage treten dagegen hohe Drücke, große Dynamik und starke Temperaturänderungen auf.

Für die Auswahl werden daher nicht nur minimaler und maximaler Durchfluss benötigt. Ebenso wichtig sind:

• minimaler, normaler und maximaler Prozessdruck,
• Gas- und Umgebungstemperatur,
• gewünschte Messgröße,
• Reinheit und Zusammensetzung des Gases,
• zulässiger Druckverlust,
• erforderliche Dynamik,
• Werkstoff- und Dichtheitsanforderungen,
• Explosionsschutz und weitere Zulassungen.

Betriebsvolumen, Normvolumen und Masse unterscheiden

Betriebsvolumenstrom

Der Betriebsvolumenstrom beschreibt das Volumen, das unter den tatsächlich an der Messstelle herrschenden Druck- und Temperaturbedingungen durch die Rohrleitung strömt. Typische Einheiten sind m³/h, l/min oder l/s.

Dieser Wert ist für die mechanische und hydraulische Auslegung wichtig. Aus ihm ergeben sich unter anderem die Strömungsgeschwindigkeit, die erforderliche Rohrnennweite und der Druckverlust über Rohrleitung, Ventile und Messgerät.

Ohne die Angabe des Betriebsdrucks und der Gastemperatur kann der Betriebsvolumenstrom jedoch nicht eindeutig in eine transportierte Wasserstoffmasse umgerechnet werden.

Normvolumenstrom

Der Normvolumenstrom rechnet das Gasvolumen auf festgelegte Referenzbedingungen zurück. Dadurch lassen sich Gasströme vergleichen, obwohl sie bei unterschiedlichen Betriebsdrücken oder Temperaturen gemessen wurden.

Die Einheit wird häufig als Nm³/h oder m³_n/h angegeben. Die Schreibweise allein reicht jedoch nicht aus. Zusätzlich müssen die verwendete Bezugstemperatur, der Bezugsdruck und gegebenenfalls weitere Bedingungen dokumentiert sein.

Verwenden zwei Systeme unterschiedliche Referenztemperaturen, können ihre Normvolumenwerte voneinander abweichen, obwohl derselbe Massedurchfluss vorliegt. Messgerät, SPS, Prüfstandssoftware und Abrechnungssystem müssen deshalb mit identischen Normbedingungen arbeiten.

Massedurchfluss

Der Massedurchfluss beschreibt die tatsächlich transportierte Wasserstoffmasse pro Zeit. Typische Einheiten sind kg/h, kg/min oder g/s.

Zwischen Betriebsvolumenstrom und Massedurchfluss gilt:

ṁ = ρ × V̇

Dabei gilt:

• ṁ = Massedurchfluss,
• ρ = Dichte des Wasserstoffs unter den jeweiligen Bedingungen,
• V̇ = Volumenstrom.

Da sich die Dichte mit Druck und Temperatur verändert, muss ein aus dem Volumenstrom berechneter Massedurchfluss entsprechend kompensiert werden. Ein direkt messendes Massedurchflussverfahren benötigt diese nachträgliche Volumen-Dichte-Umrechnung dagegen nicht in derselben Form.

Messgröße	Typische Einheit	Hauptanwendung
Betriebsvolumenstrom	m³/h, l/min	Rohrdimensionierung, Strömungsgeschwindigkeit, Druckverlust
Normvolumenstrom	Nm³/h, m³n/h	Vergleich von Gasverbräuchen und Anlagenzuständen
Massedurchfluss	kg/h, g/s	Bilanzierung, Dosierung, Wirkungsgrad und Stoffmengenvergleich

Warum ist Massedurchfluss häufig aussagekräftiger?

Die tatsächlich erzeugte, gespeicherte oder verbrauchte Wasserstoffmenge wird durch die Masse besser beschrieben als durch das momentane Gasvolumen. Wird Wasserstoff verdichtet, nimmt sein Betriebsvolumen ab. Die Masse bleibt jedoch gleich, solange kein Gas entnommen wird oder austritt.

Das ist besonders bei Wirkungsgradbetrachtungen wichtig. Bei einem Elektrolyseur kann die erzeugte Wasserstoffmasse mit der eingesetzten elektrischen Energie verglichen werden. Bei einer Brennstoffzelle kann die verbrauchte Masse der abgegebenen elektrischen Energie gegenübergestellt werden.

Auch bei Prüfständen und Dosierprozessen bietet die Masse eine klare Grundlage. Ein Prüfling soll häufig mit einer definierten Wasserstoffmenge versorgt werden. Schwanken Versorgungsdruck oder Gastemperatur, kann derselbe Betriebsvolumenstrom eine andere Masse enthalten. Eine rein volumetrische Regelung könnte dadurch eine wechselnde Stoffmenge bereitstellen.

Massedurchfluss ist besonders vorteilhaft für:

• Produktionsbilanzen von Elektrolyseuren,
• Verbrauchsmessung an Brennstoffzellen,
• Dosier- und Mischprozesse,
• Wirkungsgradberechnungen,
• Ein- und Ausgangsbilanzen von Speichern,
• Vergleiche zwischen Anlagen mit unterschiedlichen Druckniveaus,
• Prüfstände mit wechselnden Betriebsbedingungen.

Das bedeutet jedoch nicht, dass ein Massedurchflussmesser grundsätzlich immer die beste oder wirtschaftlichste Lösung ist. Messbereich, Genauigkeit, Druckverlust, Dynamik und Anlagenbau müssen weiterhin berücksichtigt werden.

Wann bleibt der Volumenstrom wichtig?

Der Betriebsvolumenstrom ist für die mechanische Auslegung der Anlage unverzichtbar. Rohrleitungen und Ventile werden nicht nur durch die transportierte Masse, sondern durch das tatsächlich durchströmende Gasvolumen und die daraus entstehende Geschwindigkeit belastet.

Ein geringer Massedurchfluss kann bei niedrigem Druck einen vergleichsweise großen Betriebsvolumenstrom verursachen. Dadurch können hohe Strömungsgeschwindigkeiten, Geräusche und Druckverluste entstehen. Nach einer Verdichtung kann derselbe Massedurchfluss ein deutlich kleineres Betriebsvolumen einnehmen.

Der Betriebsvolumenstrom wird daher benötigt für:

• Auslegung der Rohrnennweite,
• Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit,
• Dimensionierung von Ventilen und Filtern,
• Bewertung von Druckverlusten,
• Auslegung von Verdichtern und Gasaufbereitung,
• Prüfung von Einbau- und Strömungsbedingungen.

In der Praxis ist deshalb häufig eine Kombination sinnvoll: Der Massedurchfluss beschreibt die transportierte Wasserstoffmenge, während der Betriebsvolumenstrom die Strömungsverhältnisse in der Anlage beschreibt.

Druck- und Temperaturkompensation richtig auslegen

Wird der Massedurchfluss oder Normvolumenstrom aus einem gemessenen Betriebsvolumenstrom berechnet, müssen Druck und Temperatur am richtigen Ort erfasst werden. Entscheidend sind die Bedingungen an der Durchflussmessstelle und nicht ein weit entfernt gemessener Behälter- oder Verdichterdruck.

Für eine vereinfachte Gasumrechnung gilt:

V̇_N = V̇_B × p_B,abs / p_N × T_N / T_B × Z_N / Z_B

Dabei gilt:

• V̇_N = Normvolumenstrom,
• V̇_B = Betriebsvolumenstrom,
• p_B,abs = absoluter Betriebsdruck,
• p_N = Normdruck,
• T_B = Betriebstemperatur in Kelvin,
• T_N = Normtemperatur in Kelvin,
• Z = Realgasfaktor beziehungsweise Kompressibilitätsfaktor.

Ein häufiger Fehler ist die Verwendung des Relativdrucks anstelle des Absolutdrucks. Für Gasumrechnungen muss der absolute Druck verwendet werden. Auch Temperaturen dürfen in der Berechnung nicht direkt in Grad Celsius eingesetzt werden, sondern müssen als absolute Temperatur in Kelvin vorliegen.

Bei höheren Drücken reicht die Annahme eines idealen Gases nicht immer aus. Dann muss der Realgasfaktor berücksichtigt werden. Die verwendete Berechnung muss zur Wasserstoffreinheit, zum Druckbereich und zum Temperaturbereich passen.

Messprinzipien für Wasserstoff im Vergleich

Messprinzip	Primäre Messgröße	Stärken	Wichtige Grenzen
Thermisch	Massendurchfluss beziehungsweise Normvolumenstrom	Gute Empfindlichkeit bei kleinen Gasströmen, geringer Druckverlust	Gaszusammensetzung und Verschmutzung beeinflussen die Messung
Coriolis	Massedurchfluss direkt	Direkte Massemessung, hohe Genauigkeit, keine p/T-Umrechnung des Volumens erforderlich	Auslegung bei sehr geringer H₂-Dichte anspruchsvoll, möglicher Druckverlust
Ultraschall	Strömungsgeschwindigkeit und Volumenstrom	Keine bewegten Teile, geringe Druckverluste, für größere Leitungen interessant	Akustische Bedingungen, Gasdichte, Druck und Strömungsprofil beachten
Differenzdruck	Differenzdruck und daraus Volumen- oder Massendurchfluss	Robust, für große Durchflüsse und hohe Drücke skalierbar	Dichtekompensation und Druckverlust berücksichtigen

Thermische Massedurchflussmessung

Ein thermischer Massedurchflussmesser nutzt den Wärmeübergang zwischen einem beheizten Sensorelement und dem vorbeiströmenden Gas. Mit zunehmendem Massendurchfluss wird mehr Wärme abgeführt. Aus dieser Wärmeübertragung bestimmt die Elektronik den Gasdurchfluss.

Thermische Sensoren sind besonders bei kleinen bis mittleren Gasströmen interessant. Sie besitzen keine rotierenden Messelemente und verursachen bei geeigneter Ausführung nur einen geringen Druckverlust. Häufig wird direkt ein Normvolumenstrom oder ein daraus abgeleiteter Massendurchfluss ausgegeben.

Die Kalibrierung ist jedoch gasabhängig. Wasserstoff besitzt andere thermische Eigenschaften als Luft, Stickstoff oder Erdgas. Ein für Druckluft kalibrierter Sensor darf deshalb nicht ohne eine vom Hersteller bestätigte Wasserstoffparametrierung oder Umrechnung verwendet werden.

Auch die Gaszusammensetzung muss bekannt sein. Bei einem reinen Wasserstoffstrom ist die Situation klarer als bei Anodenabgas, Formiergas oder wasserstoffhaltigen Mischgasen. Ändern sich Anteile von Wasserstoff, Stickstoff, Wasserdampf oder anderen Komponenten, kann sich das thermische Messverhalten verändern.

Thermische Massedurchflussmesser eignen sich beispielsweise für:

• Elektrolyseure mit kleinen bis mittleren Produktionsmengen,
• Versorgungsleitungen von Brennstoffzellen,
• Labor- und Entwicklungsprüfstände,
• Verbrauchs- und Leckageüberwachung,
• Gasmisch- und Dosieranwendungen.

Coriolis-Massedurchflussmessung

Ein Coriolis-Durchflussmesser misst den Massedurchfluss direkt über die Wirkung der strömenden Masse auf ein schwingendes Messrohr. Druck und Temperatur müssen daher nicht verwendet werden, um einen zuvor gemessenen Betriebsvolumenstrom in Masse umzurechnen.

Das ist ein wesentlicher Vorteil bei stark wechselnden Betriebsbedingungen. Der Messwert bleibt auf die tatsächlich transportierte Masse bezogen, unabhängig davon, ob der Wasserstoff vor oder nach einem Verdichter gemessen wird.

Die geringe Dichte von Wasserstoff stellt jedoch hohe Anforderungen an die Auslegung. Bei sehr kleinen Massenströmen kann das nutzbare Messsignal gering sein. Ein zu großer Sensor würde den normalen Durchflussbereich nur unzureichend ausnutzen. Ein sehr kleines Messrohr kann dagegen einen erhöhten Druckverlust verursachen.

Zu prüfen sind insbesondere:

• kleinster und größter Massedurchfluss,
• Prozess- und Prüfdruck,
• zulässiger Druckverlust,
• maximale Gasgeschwindigkeit,
• Vibrationen und Pulsationen,
• Werkstoff- und Druckstufeneignung,
• Dichtheit der Prozessanschlüsse.

Coriolis ist besonders interessant für präzise Bilanzierung, Forschung, Dosierung und hochwertige Prüfstände. Für große Leitungen oder sehr geringe verfügbare Druckdifferenzen kann ein anderes Messprinzip wirtschaftlicher oder hydraulisch günstiger sein.

Ultraschall-Durchflussmessung

Ultraschall-Durchflussmesser bestimmen die Strömungsgeschwindigkeit anhand der Laufzeit oder Frequenzverschiebung akustischer Signale. Da sich kein mechanischer Läufer im Gasstrom befindet, kann der Druckverlust sehr gering sein.

Das Verfahren ist besonders für größere Rohrdurchmesser und hohe Durchflussmengen interessant. Der Massedurchfluss wird jedoch normalerweise nicht allein aus der gemessenen Geschwindigkeit bestimmt. Zusätzlich werden Rohrquerschnitt und Gasdichte benötigt. Für eine Masse- oder Normvolumenausgabe müssen Druck, Temperatur und Gaszusammensetzung berücksichtigt werden.

Wasserstoff besitzt besondere akustische Eigenschaften. Messpfad, Sensorfrequenz, Rohrmaterial, Gasdruck und Signalstärke müssen deshalb auf das Medium abgestimmt sein. Nicht jeder Ultraschall-Durchflussmesser für Erdgas oder Druckluft ist automatisch für Wasserstoff geeignet.

Auch das Strömungsprofil bleibt relevant. Rohrbögen, Regelventile und Querschnittsänderungen können die Geschwindigkeitsverteilung beeinflussen. Mehrpfadsysteme können solche Einflüsse besser erfassen, sind jedoch konstruktiv und wirtschaftlich aufwendiger.

Differenzdruck, Venturirohr und FlowPak

Bei der Differenzdruckmessung erzeugt eine definierte Querschnittsverengung einen messbaren Druckunterschied. Aus Differenzdruck, Geometrie und Stoffdaten wird der Durchfluss berechnet.

Für eine Massedurchflussberechnung muss die Dichte des Wasserstoffs berücksichtigt werden. Bei wechselndem Druck und wechselnder Temperatur sind daher zusätzliche Prozesswerte oder eine geeignete Kompensation erforderlich.

Venturirohre verursachen im Vergleich zu vielen anderen Wirkdruckelementen einen relativ geringen bleibenden Druckverlust und sind für große Leitungen sowie hohe Durchflussmengen interessant. Sie benötigen jedoch ausreichend Einbauraum und eine auf den Prozess abgestimmte Auslegung.

Der FLC-HHR-FP FlowPak-Durchflussmesser ist für Einbausituationen vorgesehen, in denen keine geraden Ein- und Auslaufstrecken zur Verfügung stehen. Für eine Wasserstoffanwendung müssen die konkrete Druckstufe, Werkstoffe, Anschlüsse, Dichtheit, Differenzdruckmessung und Dichtekompensation projektbezogen festgelegt werden.

Druckverlust und Messbereich bewerten

Ein Durchflussmesser kann messtechnisch geeignet sein und trotzdem hydraulisch nicht zur Anlage passen. Besonders in Niederdruckleitungen von Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren kann bereits ein geringer zusätzlicher Druckverlust die Regelung beeinflussen.

In Hochdruckanlagen ist zwar mehr Druck verfügbar, dennoch verursacht jeder Druckverlust zusätzliche Verdichterarbeit und damit Energiebedarf. Bei Betankung und schnellen Füllvorgängen kann außerdem die erreichbare Durchflussleistung begrenzt werden.

Der Druckverlust sollte mindestens für folgende Betriebspunkte berechnet werden:

• minimaler Durchfluss,
• normaler Betriebspunkt,
• maximaler Durchfluss,
• minimaler und maximaler Betriebsdruck,
• minimale und maximale Gastemperatur.

Auch die Messbereichsdynamik ist entscheidend. Ein Sensor, der den maximalen Durchfluss sicher erfasst, kann bei kleinen Leckage- oder Bereitschaftsströmen bereits unterhalb seiner nutzbaren Messgrenze liegen. Umgekehrt kann ein auf kleinste Durchflüsse optimierter Sensor bei Lastspitzen überlastet werden oder zu viel Druckverlust verursachen.

Dichtheit, Werkstoffe und Einbau

Bei Wasserstoff muss die vollständige Messstelle betrachtet werden. Ein geeigneter Sensor allein genügt nicht, wenn Adapter, Dichtungen, Ventile oder Verschraubungen nicht für den Prozess freigegeben sind.

Zu prüfen sind:

• medienberührte Werkstoffe,
• Dichtungswerkstoffe und Dichtprinzip,
• zulässiger Betriebs- und Prüfdruck,
• Temperaturbereich,
• Leckagerate der vollständigen Verbindung,
• Schweiß- und Prozessanschlüsse,
• Reinheitsanforderungen,
• Explosionsschutz der Elektronik,
• mechanische Belastung durch die Rohrleitung.

Der Durchflussmesser sollte spannungsfrei montiert werden. Rohrleitungskräfte dürfen nicht über die Prozessanschlüsse in den Sensor eingeleitet werden. Bei schweren Messgeräten sind geeignete Halterungen vorzusehen.

Vor der Inbetriebnahme ist die vollständige Messstelle mit einem für die Anwendung geeigneten Verfahren auf Dichtheit zu prüfen. Ein stabiler Durchflussmesswert ersetzt keine Leckageprüfung.

Kalibrierung und Gasumrechnung

Die Kalibrierung muss zum Messprinzip und zum späteren Einsatz passen. Eine Kalibrierung mit Luft oder Stickstoff kann bei bestimmten Geräten über validierte Gasfaktoren auf Wasserstoff übertragen werden. Diese Umrechnung muss jedoch vom Gerätehersteller unterstützt und für den geforderten Messbereich geeignet sein.

Bei hohen Genauigkeitsanforderungen, großen Druckbereichen oder sicherheitskritischen Anwendungen ist eine Kalibrierung mit Wasserstoff oder einem nachweislich geeigneten Ersatzverfahren unter realistischen Bedingungen vorzuziehen.

Folgende Punkte sollten im Kalibriernachweis eindeutig angegeben sein:

• Kalibriergas und Gaszusammensetzung,
• Druck und Temperatur während der Kalibrierung,
• Massedurchfluss- oder Volumenbezug,
• verwendete Normbedingungen,
• Messbereich und Kalibrierpunkte,
• Messunsicherheit,
• angewendete Gas- oder Realgaskorrekturen.

Ein Kalibrierzertifikat über einen Volumenstrom ist nicht automatisch mit einer späteren Massedurchflussmessung vergleichbar. Die Messgröße und Bezugsbedingungen müssen übereinstimmen.

Typische Anwendungen

Anwendung	Bevorzugte Messgröße	Wichtige Auswahlpunkte
Elektrolyseur	Massedurchfluss oder definierter Normvolumenstrom	Produktionsbilanz, Gasreinheit, Feuchte, kleiner Durchfluss
Brennstoffzelle	Massedurchfluss	Schnelle Lastwechsel, niedriger Druckverlust, mögliche Gasgemische
H₂-Prüfstand	Massedurchfluss und Betriebsvolumen	Dynamik, Wiederholbarkeit, Datenaufzeichnung, wechselnde Drücke
Verdichtung und Speicherung	Massedurchfluss	Hoher Druck, Temperaturänderungen, Ein- und Ausgangsbilanz
Verteilnetz	Normvolumen- oder Massedurchfluss	Große Leitungen, Druckverlust, Langzeitstabilität
Betankung	Massedurchfluss	Hohe Dynamik, Druckstufe, Temperatur, regulatorische Anforderungen

Praxisbeispiel: Elektrolyseur mit nachgeschaltetem Verdichter

Ein Elektrolyseur erzeugt Wasserstoff bei vergleichsweise niedrigem Druck. Der Gasstrom wird anschließend getrocknet, verdichtet und in einen Speicher geleitet. Die Produktion soll bilanziert und gleichzeitig die Verdichterstufe überwacht werden.

Vor dem Verdichter ist das Betriebsvolumen wegen des niedrigeren Drucks relativ groß. Hinter dem Verdichter ist das tatsächlich durchströmende Volumen wesentlich kleiner. Würden nur die beiden Betriebsvolumenströme miteinander verglichen, könnte fälschlicherweise der Eindruck entstehen, dass hinter dem Verdichter deutlich weniger Wasserstoff vorhanden ist.

Der Massedurchfluss sollte vor und nach dem Verdichter dagegen im stationären Zustand nahezu übereinstimmen. Verbleibende Unterschiede können unter anderem durch zeitliche Verzögerungen, Speicherfüllung, Entnahme, Messunsicherheit oder eine Leckage entstehen.

Für die Produktionsbilanz wird deshalb der Massedurchfluss verwendet. Zusätzlich werden Druck und Temperatur an beiden Messstellen erfasst. Der Betriebsvolumenstrom bleibt für die Auslegung der Leitungen und die Bewertung des Verdichterbetriebs relevant.

Zeigt die Eingangsseite beispielsweise einen stabilen Massedurchfluss, während hinter dem Verdichter dauerhaft weniger Masse erfasst wird, werden zunächst folgende Punkte geprüft:

• zeitliche Synchronisation der Messwerte,
• unterschiedliche Filter- und Dämpfungszeiten,
• Gaszusammensetzung und Feuchte,
• Nullpunkt und Messbereich der Sensoren,
• Zwischenspeicherung in Rohrleitungen und Behältern,
• Dichtheit von Verdichter, Ventilen und Verbindungen.

Das Beispiel zeigt, warum Masse und Betriebsvolumen nicht gegeneinander ausgespielt werden sollten. Die Masse ist für die Bilanz entscheidend, das Volumen für die strömungstechnische Auslegung.

Auswahlhilfe für H₂-Durchflussmesser

Für eine belastbare Geräteauslegung sollten mindestens folgende Angaben vorliegen:

• reiner Wasserstoff oder Wasserstoffgemisch,
• Gaszusammensetzung und mögliche Schwankungen,
• minimaler, normaler und maximaler Durchfluss,
• gewünschte Ausgabe als Betriebsvolumen, Normvolumen oder Masse,
• minimaler und maximaler Absolutdruck,
• Gas- und Umgebungstemperatur,
• maximal zulässiger Druckverlust,
• Rohrnennweite und Prozessanschluss,
• Einbaulage und verfügbare Einlaufstrecken,
• erforderliche Ansprechzeit,
• Genauigkeit und Messunsicherheit,
• Werkstoff- und Dichtheitsanforderungen,
• ATEX-, Druckgeräte- oder weitere Zulassungsanforderungen,
• Kalibriergas und gewünschte Rückführbarkeit,
• Bilanzierungs-, Prüfstands- oder Abrechnungsanforderungen.

Erst anhand dieser Daten lässt sich entscheiden, ob ein thermischer Massedurchflusssensor, ein Coriolis-System, ein Ultraschall-Durchflussmesser oder eine Differenzdrucklösung technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist.

Welche Produkte eignen sich?

H²-Durchflussmesser

Die Kategorie H²-Durchflussmesser enthält speziell für Wasserstoffanwendungen eingeordnete Messlösungen. Die konkrete Ausführung muss immer anhand der Betriebsbedingungen und erforderlichen Zulassungen geprüft werden.

FLC-HHR-FP FlowPak-Durchflussmesser

Der FLC-HHR-FP FlowPak-Durchflussmesser arbeitet nach dem Differenzdruckprinzip und ist für Anwendungen mit begrenztem Einbauraum vorgesehen. Er benötigt keine klassischen geraden Ein- und Auslaufstrecken.

Für eine Wasserstoffmessstelle werden zusätzlich ein geeigneter Differenzdrucktransmitter sowie Druck- und Temperaturwerte für die Dichte- beziehungsweise Massenstromberechnung benötigt. Werkstoffe, Druckstufe und Prozessanschlüsse sind projektbezogen festzulegen.

Thermische H₂-Durchflusssensoren

Im Bereich H²-Durchflusssensoren stehen mit IVA 550 und IVA 570 thermische Sensorlösungen für Gasdurchfluss- und Verbrauchsmessungen zur Verfügung. Modell- und zulassungsabhängig können sie für Wasserstoff eingesetzt werden und direkt einen Normvolumenstrom bereitstellen.

Vor der Auswahl müssen Gaszusammensetzung, Druck, Temperatur, Messbereich, Einbauart und erforderliche Zulassung eindeutig feststehen.

Coriolis- und Ultraschall-Durchflussmesser

Weitere Coriolis-, Ultraschall- und Prozessdurchflussmesser finden Sie im Bereich Durchflussmesstechnik. Nicht jedes dort geführte Gerät ist automatisch für Wasserstoff geeignet. Die H₂-Verträglichkeit von Werkstoffen, Dichtungen, Druckstufe, Messprinzip und Zulassung muss für jede Anwendung bestätigt werden.

Fazit: Masse für die Bilanz, Volumen für die Strömungstechnik

Bei Wasserstoff kann ein Volumenstrom nur zusammen mit seinen Druck- und Temperaturbedingungen richtig interpretiert werden. Der Betriebsvolumenstrom verändert sich bei Verdichtung, Entspannung oder Erwärmung, obwohl dieselbe Wasserstoffmasse transportiert wird.

Für Produktionsmengen, Verbrauch, Dosierung und Wirkungsgrad ist der Massedurchfluss deshalb häufig die aussagekräftigere Größe. Ein definierter Normvolumenstrom kann ebenfalls gut vergleichbar sein, sofern alle Systeme dieselben Referenzbedingungen verwenden.

Der Betriebsvolumenstrom bleibt dennoch unverzichtbar. Er bestimmt Strömungsgeschwindigkeit, Rohrdimensionierung und Druckverlust. Eine gute Messstellenplanung bewertet deshalb Masse, Betriebsvolumen, Druck und Temperatur gemeinsam.

Thermische Massedurchflusssensoren eignen sich besonders für kleine und mittlere Gasströme. Coriolis misst die Masse direkt und ist für präzise Bilanzen interessant. Ultraschall bietet Vorteile bei größeren Leitungen und geringem Druckverlust. Differenzdrucksysteme sind robust und für große Durchflüsse skalierbar, benötigen jedoch eine geeignete Dichtekompensation.

Die richtige Lösung entsteht aus dem vollständigen Prozess: Gaszusammensetzung, Messbereich, Druck, Temperatur, Druckverlust, Dynamik, Werkstoffe, Dichtheit, Zulassung und Kalibrierung müssen zusammenpassen.

Häufige Fragen zur Wasserstoff-Durchflussmessung

Warum reicht ein Volumenstromwert bei Wasserstoff nicht aus?

Das Gasvolumen hängt stark von Druck und Temperatur ab. Ein Volumenstrom ist deshalb nur zusammen mit den Betriebs- oder Referenzbedingungen eindeutig.

Was ist der Unterschied zwischen m³/h und Nm³/h?

m³/h beschreibt normalerweise das Volumen unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen. Nm³/h bezieht sich auf festgelegte Normbedingungen. Die verwendete Normtemperatur und der Normdruck müssen dokumentiert sein.

Ist Massedurchfluss immer besser als Normvolumenstrom?

Nicht grundsätzlich. Beide Größen können für Bilanzierung geeignet sein. Der Massedurchfluss benötigt keine frei gewählten Normbedingungen. Ein Normvolumenstrom ist ebenfalls vergleichbar, wenn überall dieselben Referenzbedingungen verwendet werden.

Welches Messprinzip eignet sich für kleine Wasserstoffmengen?

Thermische Massedurchflusssensoren und kleine Coriolis-Systeme können geeignet sein. Entscheidend sind der tatsächliche Mindestdurchfluss, der Druck, die Gaszusammensetzung und die erforderliche Genauigkeit.

Misst ein thermischer Sensor den Massedurchfluss direkt?

Er bestimmt den Gasdurchfluss über den massenabhängigen Wärmetransport. Die Kalibrierung ist dabei stark von den thermischen Eigenschaften und der Zusammensetzung des Gases abhängig.

Benötigt ein Coriolis-Durchflussmesser eine Druck- und Temperaturkompensation?

Für die direkte Massedurchflussmessung ist keine Umrechnung eines Betriebsvolumens über Druck und Temperatur erforderlich. Druck und Temperatur bleiben jedoch für Prozessbewertung, Geräteauslegung und zusätzliche Volumenausgaben relevant.

Kann ein Durchflussmesser für Druckluft auch für Wasserstoff verwendet werden?

Nur wenn der Hersteller die Wasserstoffeignung ausdrücklich bestätigt. Gasparametrierung, Werkstoffe, Dichtungen, Druckstufe und gegebenenfalls Explosionsschutz müssen zur Anwendung passen.

Warum ist der Druckverlust bei Brennstoffzellen besonders wichtig?

Die Versorgung arbeitet häufig mit begrenztem Differenzdruck. Ein zu hoher Druckverlust am Messgerät kann die Regelung und die verfügbare Wasserstoffversorgung des Brennstoffzellensystems beeinflussen.

Muss ein Wasserstoff-Durchflussmesser mit echtem H₂ kalibriert werden?

Das hängt von Messprinzip und Genauigkeitsanforderung ab. Validierte Gasfaktoren oder Ersatzkalibrierungen können bei geeigneten Geräten möglich sein. Für hohe Genauigkeit und kritische Anwendungen ist eine Kalibrierung unter möglichst realistischen H₂-Bedingungen vorteilhaft.