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 Sektor wesentlich zu Europas Ausstoss von CO₂ beiträgt. Eine vielversprechende Strategie hierbei stellt die Beimischung von erneuerbaren Gasen zu Erdgas dar, z. B. die Beimischung von Biogas oder von nachhaltig produziertem Wasserstoffgas. Insbesondere bei der Beimischung von Wasserstoff handelt es sich um eine neuartige Praktik, deren Verträglichkeit mit der heutigen Gasinfrastruktur noch nicht vollständig verstanden und untersucht ist. Ein wesentlicher Baustein in der Gasinfrastruktur stellen Gaszähler dar, welche für eine zuverlässige und faire Abrechnung des Gasverbrauchs eines jeden Gaskunden unabdingbar sind.

In diesem Artikel beleuchten wir das messtechnische Verhalten des mikrothermischen Messprinzips für Gaszähler im Betrieb mit Erdgasgemischen mit signifikanten Wasserstoffanteilen. Wir präsentieren Messdaten, diskutieren die Messgenauigkeit, besprechen das Thema Betriebssicherheit und erklären den Aspekt der kompakten Baugrösse, eines wichtigen Vorteils mikrothermischer Gaszähler beim Betrieb mit Wasserstoff im Vergleich zu anderen Zählertechnologien.

Das Herzstück eines jeden mikrothermischen Durchflusssensors, wie sie in Erdgaszählern verwendet werden, bildet ein MEMS (mikro-elektromechanisches System) -basiertes kalorimetrisches Sensorelement, wie in Abbildung 1a) gezeigt. Das Sensorelement befindet sich dabei auf einer Membran auf einem Silizium-Chip und besteht aus einem Mikro-Heizelement und flussaufwärts und flussabwärts integrierten Temperatursensoren. Fliesst ein elektrischer Strom durch das Mikro-Heizelement, so generiert es ein Temperaturprofil auf der Membran. Ohne Gasfluss ist die Temperatur bei den flussaufwärts und flussabwärts befindlichen Temperatursensoren 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 bei den flussaufwärts und flussabwärts positionierten Temperatursensoren 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 Flussmessprinzip basiert auf dem physikalischen Effekt der Wärmekonvektion. Folglich ist das Sensorsignal einerseits von der Flussgeschwindigkeit des Gases über die Membran abhängig, andererseits auch von den thermischen Eigenschaften der gemessenen Erdgasmischung.

Ein thermischer Durchflusssensor liefert folglich genaue Messdaten, wenn er entweder vorgängig für ein Gasgemisch kalibriert wurde oder, wenn er mit einer Routine ausgestattet ist, welche eine variierende Gasmischung bei der Flussmessung dynamisch berücksichtigt.

In der Anwendung von Gaszählern ist die Anzahl an möglichen Erdgasmischungen sehr gross, und zudem kann die Zusammensetzung über die Zeit variieren. Eine vorgängige einzelne Kalibration für sämtliche möglichen Erdgasmischungen ist in der Praxis kein gangbarer Weg. Daher ist Sensirions mikrothermische Technologie für Gaszähler mit einer proprietären, dynamischen Erdgasqualitäts-Routine ausgestattet, um akkurate Flussmessungen selbst mit variierenden Erdgasgemischen sicherzustellen.

Die hier präsentierten Messdaten wurden mit mikrothermischen Durchflusssensoren mit dynamischer Erdgasqualitäts-Routine aufgenommen. Die Routine ist optimiert für H, L und E Gase gemäss EN 437:2018 mit einem Wasserstoffanteil bis zu 23 %. Das Ausgangssignal der Durchflusssensoren ist temperatur- und druckkompensiert in Standardliter pro Minute (slm).

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.

Abbildung 2: Innenansicht Gaszähler-Prototypengehäuse mit Durchflusssensor am Gaszählerauslass (a). Schematische Darstellung des Messaufbaus für die Flussmessungen (b).

Tabelle 1: Prüfgaszusammensetzung.

In Abbildung 3 sind die relativen Messfehler über den Referenz-Gasfluss bis 100 Standardliter pro Minute (slm) von drei Durchflusssensoren in Luft, Methan und Erdgasgemischen mit 5 %, 10 % und 23 % Wasserstoffanteil ersichtlich. Die in Rot 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 drei gemessenen Durchflusssensoren liegen deutlich innerhalb der geforderten Fehlergrenzen und erfüllen auch das Gas-zu-Luft-Verhältnis von 3 % respektive 1.5 % gemäss der Europäischen Norm für Ultraschall-Gaszähler EN 14236:2018 und dem Entwurf für eine Europäischen Norm für Erdgaszähler basierend auf dem thermischen Messprinzip (prEN 17526).

Beim Prüfgas mit dem maximalen Wasserstoffanteil von 23 %, welches in dieser Messreihe verwendet wurde, handelt es sich um das Prüfgas G222 gemäss EN 437:2018. Dabei ist G222 die Gasmischung mit dem maximalen Wasserstoffanteil für Erdgasmischungen der 2. Familie gemäss EN 437:2018, welche für die Prüfung von Gasgeräten verwendet wird. Für das mikrothermische Messprinzip stellt ein Wasserstoffanteil von 23 % jedoch keine technologie-bedingte Obergrenze dar. Werden in Zukunft aus Anwendungs- oder Marktsicht Beimischungen von mehr als 23 % Wasserstoff zu Erdgas absehbar, kann der Messbereich für Wasserstoff beliebig erweitert werden.

Abbildung 3: Relativer Messfehler über den Referenz-Gasfluss von drei Durchflusssensoren in Luft (a), Methan (b) und Erdgasgemischen mit 5 % (c), 10 % (d) und 23 % (e) Wasserstoffanteil.

Bezüglich Sicherheit existieren für die Sensirion mikrothermischen Durchflusssensoren keinerlei Limitationen für den Betrieb mit Erdgasgemischen mit beliebigem Wasserstoffgehalt. Sowohl die maximale Temperatur als auch die maximal gespeicherte thermische Energie auf dem Mikro-Sensorelement liegen selbst bei einer Fehlfunktion der Spannungsregelung des Durchflusssensors deutlich unter der Zündtemperatur respektive Zündenergie von Wasserstoff-Luft-Gemischen. Die Sensirion mikrothermische Flussmesstechnik wird deshalb schon seit Jahren erfolgreich in anspruchsvollen Anwendungen der Gasanalytik mit 100 % Wasserstoff verwendet.

Ein wichtiger Aspekt, welchen es bei der Beimischung von Wasserstoff zu Erdgas zu berücksichtigen gilt, 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 Erdgasmischungen 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. Rein volumetrische Erdgaszähler müssen daher gegebenenfalls grösser ausgelegt werden. Dies kann zu höheren Kosten für grössere Zählerbauformen und zu erhöhten Platzbedürfnissen bei der Installation führen. Falls ein Zähler von grösseren Gasvolumen durchflossen wird, als er ursprünglich für den Betrieb mit Erdgas ohne Wasserstoff ausgelegt worden ist, ist allenfalls eine erhöhte Abnutzung der Zählermechanik und eine dadurch reduzierte Lebensdauer zu erwarten.

Bei der mikrothermischen Technologie zur Flussmessung handelt es sich um ein statisches Messprinzip ohne bewegte Teile. Folglich hat ein erhöhter Volumenfluss keine erhöhte Abnutzung zur Folge und keinen Einfluss auf die Lebensdauer eines mikrothermischen Gaszählers. Im Gegensatz zu volumetrischen Gaszählern können für mikrothermische Gaszähler die gleichen Baugrössen verwendet werden – unabhängig davon, ob sie mit Erdgas oder mit beliebigem Wasserstoffanteil betrieben werden. Für das mikrothermische Messprinzip ist nämlich nicht das durch den Zähler strömende Gasvolumen die Schlüssel-Kenngrösse, welche betrachtet werden muss, sondern die Reynolds-Zahl für das jeweilige Gasgemisch. Die Reynolds-Zahl wird in der Strömungslehre oft als Kenngrösse verwendet und kann Aufschluss darüber geben, 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 um mehr als einen Faktor 6 kleiner ist als ReCH4 bei gleicher Zählergehäusegeometrie. 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 tiefere Reynolds-Zahl für Wasserstoff bedeutet stets stabile Messbedingungen bei gleichbleibender Zählergehäusegeometrie, auch bei einem um Faktor 3 erhöhten Volumenfluss im Vergleich zu Methan. Folglich kann die gleiche Zählergrösse problemlos sowohl für Erdgas als auch für den Betrieb mit bis zu 100 % Wasserstoff verwendet werden. Auch der durch den Gaszähler verursachte Druckabfall bleibt bei erhöhtem Fluss mit Wasserstoff vergleichbar wie im Normalbetrieb mit Erdgas, was der wesentlich geringeren Dichte von Wasserstoff im Vergleich zu Erdgas geschuldet ist.

Die hier vorgestellten Messdaten zeigen, dass das mikrothermische Messprinzip die von der MID geforderten Fehlergrenzen für die Messgenauigkeit und das Luft-zu-Gas-Verhältnis für verschiedene Erdgas-Wasserstoff-Gemische bestens einhält. Der in dieser Messreihe maximale Wasserstoffanteil von 23 % stellt keine technische Obergrenze des Messprinzips dar, sondern entspricht dem maximalen Wasserstoffanteil in Prüfgasen gemäss EN 437:2018. Bei Bedarf kann der Messbereich für Wasserstoff beliebig erweitert werden. Bezüglich der Betriebssicherheit bestehen keine Limitationen, selbst im Betrieb mit 100 % Wasserstoff. Die ohnehin schon sehr kompakte Bauform von mikrothermischen Gaszählern kann unabhängig von den Wasserstoffbeimischungen beibehalten werden, was ein wichtiger Vorteil im Vergleich zu rein volumetrischen Zählern darstellt. Somit müssen keine teuren und grossen Zählerbauformen eingesetzt werden, und die Logistik und Installation von mikrothermischen Zählern 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 5 Millionen Gaskunden von einer zuverlässigen und fairen Abrechnung durch mikrothermische Gaszähler. Gut möglich, dass die Wasserstoffbeimischung der raschen Verbreitung dieser kompakten, statischen Technologie noch zusätzlichen Vorschub leisten wird.

Sensirion AG

Michele Monitaro, Key Account Manager Industrial Market       

Moritz Mattmann, Sensior Product Manager Gas Metering

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 (VOC), CO₂ und Feinstaub (PM2.5). Das Netzwerk mit Niederlassungen in den USA, Europa, China, Taiwan, Japan und Korea 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.