Introductie
Twee belangrijke pijlers van de energietransitie zijn de inzet van waterstof als energiedrager en het afvangen en opslaan van CO2 (CCS: Carbon Capture and Storage). Hoewel procesmetingen van waterstof al jaren worden uitgevoerd in bijvoorbeeld de (petro-)chemische industrie, en procesmetingen van CO2 in de voedingsmiddelen- en drankenindustrie, brengt het meten met hoge nauwkeurigheid een aantal specifieke uitdagingen met zich mee. In dit artikel wordt een beknopte uitleg gegeven van de technische uitdagingen waarmee Ultrasonic en Coriolis flowmeters te maken hebben op het gebied van waterstof en CO2.

Fase diagram
Zoals de meeste media kan CO2 in 4 verschillende fasen voorkomen: vast, gas, vloeibaar en superkritisch. Met een kritisch punt dat dicht bij typische operationele omstandigheden ligt, is voorzichtigheid geboden om faseveranderingen te voorkomen. CO2 bij 58 bar en 20°C is bijvoorbeeld een vloeistof met een dichtheid van 780 kg/m3. Het verlagen van de druk tot 57 bar betekent het is een gas van 190 kg/m3. Dit betekent dat een kleine drukval kan resulteren in een drastische verandering in dichtheid, iets wat de meetprestaties beïnvloedt. Bij verhoogde druk en temperatuur bevindt CO2 zich in een superkritische fase. Hoewel superkritisch enigszins ongrijpbaar klinkt, zien we het ook in andere toepassingen. Methaan heeft bijvoorbeeld zijn kritische punt bij 46 bar en -83°C, wat betekent dat typische methaantoepassingen bij omgevingstemperatuur van 60 bar zich ook in de superkritische fase bevinden. Dichtbij het kritieke punt worden grote dichtheidsfluctuaties waargenomen die metingen moeilijk kunnen maken als de procesomstandigheden niet stabiel zijn.

Waterstof heeft zijn kritische punt bij 13 bar en -240°C, waardoor het pas vloeibaar kan worden als het aanzienlijk wordt afgekoeld. Bij de kritische temperatuur van -240°C heeft waterstof minimaal 13 bar nodig om vloeibaar te worden, onder omgevingsdruk moet waterstof worden gekoeld tot -253°C om vloeibaar te worden.

Uitdagingen voor ultrasonic flowmeters
Het ultrasone meetprincipe kan worden gebruikt voor de enkelfasige gas-, vloeistof- of superkritische fase, waarbij voor elke fase een bepaalde meteropstelling is vereist. Een specifieke uitdaging voor CO2 is het moleculaire thermische relaxatie-effect, waardoor het CO2-molecuul het ultrasone geluidssignaal ‘absorbeert’. Het fenomeen is niet uniek voor CO2, maar voor CO2 ligt de absorptiepiek in het frequentiebereik dat fabrikanten doorgaans gebruiken voor hun ultrasone transducers. Omdat de frequentie van de absorptiepiek drukafhankelijk is, zullen fabrikanten bij het sizen van een meter een ultrasone transducerfrequentie selecteren die voldoende gescheiden is van de frequentie van de absorptiepiek. Op deze manier kunnen prestaties over een breed drukbereik gegarandeerd worden.

Voor waterstoftoepassingen moet rekening worden gehouden met de lage dichtheid en hoge geluidssnelheid. De lage dichtheid van waterstof maakt het moeilijker voor het ultrasone signaal om het medium binnen te dringen en de ontvangende transducer te bereiken. Om deze uitdaging het hoofd te bieden zullen fabrikanten de optimale ultrasone transducerfrequentie selecteren om de akoestische prestaties te maximaliseren. De hoge geluidssnelheid in waterstof resulteert in zeer korte looptijden van het ultrasone signaal tussen de transducers. Daardoor moet de ontvangende transducer op tijd gereed zijn om het signaal van de zendende transducer te ontvangen.

Omdat er geen grootschalige kalibratiefaciliteiten voor CO2- of waterstofstromen bestaan, worden ultrasone flowmeters doorgaans gekalibreerd op water, lucht of aardgas. Waar nodig kan een kalibratie op basis van het Reynoldsgetal worden uitgevoerd, zodat de stroomprofielen tijdens de kalibratie vergelijkbaar zullen zijn met die in het veld. Het gebruik van bijvoorbeeld water met 7x hogere stroomsnelheden levert vergelijkbare Reynoldsgetallen op als vloeibaar CO2. Indien nodig kan de op water gebaseerde Reynolds-curve worden geëxtrapoleerd, vergelijkbaar met hoe dit wordt gedaan voor LNG-stroommeters.

Uitdagingen voor Coriolis flowmeters
Coriolis-meters bieden zeer nauwkeurige stroommetingen bij enkelfasige vloeistoffen, die zich in vloeibare, gas- of superkritische fase kunnen bevinden. Ook blijven ze meten op meerfasen stroming. Bij het meten van CO2 moet ervoor worden gezorgd dat grote plotselinge dichtheidsvariaties die kunnen optreden in procesomstandigheden dichtbij het kritische punt, worden vermeden. Bij gasmetingen, vooral bij waterstof met een lage dichtheid, moet erop worden gelet dat aan de minimale dichtheidsvereiste van de meter wordt voldaan om de prestaties van de flowmeter te garanderen. In de praktijk betekent dit dat er een minimale druk nodig is. Coriolis meters worden normaal gesproken op water gekalibreerd. Omdat ze een directe massameting bieden, worden de meters niet beïnvloed door vloeistofeigenschappen of stromingsprofielen.

Verdere overwegingen
Afgevangen CO2 kan andere gassen bevatten, zoals N2 of O2. Dicht bij de faseovergangslijn kan dit een tweefasen stroming veroorzaken, waarbij CO2 zich in de vloeibare fase bevindt en de andere elementen zich in de gasfase bevinden. Ook vrij water in CO2 heeft zorgvuldige aandacht nodig, omdat dit kan leiden tot koolzuurcorrosie (Fe + CO2+ H2O -> FeCO3 + H2).

Of een coriolis- of ultrasone flowmeter de beste optie is voor een toepassing, hangt af van de toepassingsvereisten. Coriolis meters bieden een directe massameting en vereisen geen rechte inlaatleidingen. Ultrasone flowmeters bieden een verwaarloosbaar laag drukverlies en zijn verkrijgbaar in zeer grote maten met volledige doorlaat.

De meetstandaarden zijn nog niet volledige klaar voor de energietransitie. CO2 valt bijvoorbeeld niet onder de Europese MID MI-002 omdat het geen brandbaar gas is. Ook goedgekeurde tabellen voor druk- en temperatuurcorrectie en omrekening van volume naar massa zijn niet altijd beschikbaar. Voor deze gevallen werkt KROHNE actief samen met lokale metrologiebureaus, zoals NMi, om een oplossing te vinden.