W skrócie
- Znaczenie odnawialnych źródeł energii stale rośnie: głównym filarem transformacji energetycznej jest rozwój energetyki wiatrowej, wodnej i słonecznej. Postępy w tych obszarach powodują zmniejszenie zależności od paliw kopalnych i przyczyniają się do dekarbonizacji, co czyni je fundamentem zrównoważonego systemu energetycznego zaspokajającego rosnące zapotrzebowanie na energię przy jednoczesnej ochronie klimatu.
- Gaz jako rozwiązanie przejściowe: pomimo szybkiego wzrostu znaczenia odnawialnych źródeł energii gaz ziemny będzie w nadchodzących latach nadal odgrywał kluczową rolę jako niezawodny i przystępny cenowo surowiec energetyczny. W okresie przejściowym jego rolą będzie zapewnienie stabilności do czasu, gdy bardziej ekologiczne alternatywy staną się bardziej dostępne i będą mogły być wdrożone na większą skalę.
- Wodór i magazynowanie energii: uniezależnienie się od warunków pogodowych mających szczególne znaczenie w przypadku odnawialnych źródeł energii, a także od sezonowych wahań zużycia wymaga wdrożenia nowych rozwiązań. Wodór staje się wszechstronnym źródłem energii, natomiast zaawansowane technologie magazynowania nadwyżek energii, kluczowe dla zapewnienia stabilności, przybliżają nas do celu, jakim jest neutralność energetyczna w zakresie emisji CO2.
Wodór w sieci gazowej
Wytwarzanie wodoru z energii odnawialnej oraz wprowadzanie go do istniejących sieci gazowych odgrywa istotną rolę na drodze do osiągnięcia neutralności emisyjnej w sektorze energetycznym. Wodór można wytwarzać w miejscach, gdzie dostępność energii odnawialnej jest wysoka. Ponadto można go magazynować i dostarczać konsumentom jako dodatkowy nośnik energii za pośrednictwem istniejących sieci gazowych. Wodór można magazynować i transportować w stężeniu do 30% obj. w istniejącej sieci dystrybucji gazu ziemnego.
Sieci dystrybucji czystego wodoru będą początkowo rozbudowywane na poziomie regionalnym. Następnie będą stopniowo łączone, tworząc większe struktury sieciowe. Według szacunków dotyczących ogólnoeuropejskiej sieci przesyłowej wodoru, do 2040 roku może powstać sieć o długości nawet 40 000 km.
Wpływ na pomiar przepływu gazu
Możliwość niezawodnego i stabilnego pomiaru przepływu gazu ziemnego zawierającego domieszkę wodoru nabiera obecnie coraz większego znaczenia. Zmiana składu gazu stwarza nowe wyzwania pomiarowe dla różnych technologii pomiarowych. Wynika to z faktu, że dodany wodór wpływa na właściwości gazu ziemnego zmieniając gęstość, lepkość, wybuchowość, natężenie przepływu oraz prędkość dźwięku w gazie. Nowe parametry przekładają się na nowe wyzwania dla rurociągów, sprężarek, uszczelnień, zaworów, techniki pomiarowej itp. związane np. z ryzykiem wycieków i wybuchów lub określaniem wartości opałowej. Dlatego operatorzy sieci gazowych i dostawcy gazu starają się analizować wpływ nowych warunków na pracę istniejących przepływomierzy gazu.
W ciągu ostatnich dwóch dekad ultradźwiękowe pomiary przepływu wyznaczyły nowy standard niezawodności, trwałości i dokładności pomiarów zarówno w branży gazu ziemnego, jak i gazów technologicznych.
Dodanie nawet niewielkiej domieszki wodoru do gazu ziemnego znacznie zwiększa prędkość dźwięku w docelowej mieszaninie. Przy stężeniu wodoru wynoszącym 100% obj. prędkość w stosunku do gazu ziemnego zwiększa się już około trzykrotnie. Wykresy na rysunku 1 przedstawiają krzywą prędkości dźwięku dla gazu ziemnego, gazu ziemnego z 30% obj. domieszką wodoru oraz czystego wodoru.
Rysunek 1: Prędkość dźwięku w mieszaninach typowego gazu ziemnego (zawartość metanu 90
% obj.) i wodoru do 100
Konstrukcja przepływomierzy ultradźwiękowych wymaga uwzględnienia nowych wymagań. Należy zapewnić zarówno zakres pomiarowy odpowiadający gazowi ziemnemu, jak i wymaganą niepewność pomiaru. Obejmuje to zmniejszenie rozrzutu wartości mierzonych, ograniczenie czułości skrośnej na wahania ciśnienia, temperatury i parametrów medium oraz zmniejszenie wpływu efektów mechanicznych występujących podczas przepływu gazów.
W przypadku gazu ziemnego z domieszką wodoru wynoszącą do 30% obj. nadal istnieje możliwość skompensowania tego efektu.
Rysunek 2: Przykład zastosowania przepływomierza FLOWSIC
Ultradźwiękowy pomiar przepływu: przygotowany również na przyszłe wymagania
Przewiduje się, że w przyszłości - w przypadku wykonywania pomiarów rozliczeniowych dla czystego wodoru lub mieszanin z jego zawartością - wymagania w zakresie dokładności pomiarowej będą takie same jak obecnie dla gazu ziemnego. Dlatego należy dostosować ultradźwiękowe przepływomierze gazu (USM) do nowych zadań pomiarowych.
Specjalne rurociągi do przesyłu wodoru nie będą się jednak znacząco różnić od rurociągów do przesyłu gazu ziemnego. Wymagania są podobne do tych, które obowiązują w przypadku dzisiejszych przepływomierzy. Aby uzyskać taką samą wydajność transportową przy tym samym zużyciu energii, konieczne jest zastosowanie w systemach przesyłowych większych średnic nominalnych lub wyższych natężeń przepływu. Przepływomierze USM zaprojektowane specjalnie z myślą o pomiarach wodoru muszą więc umożliwiać osiągnięcie wyższych maksymalnych prędkości przepływu gazu.
Ponieważ przepływomierze USM spełniają wszystkie wymagania, idealnie nadają się do pomiaru przepływu w systemach rozliczeniowych w przyszłych sieciach przesyłowych i dystrybucyjnych, zarówno w przypadku mieszanin z zawartością wodoru, jak i dla czystego wodoru.
Zalety pomiaru przepływu za pomocą przepływomierzy USM:
- Szeroki zakres średnic nominalnych (DN50...DN1400)
- Duży zakres pomiarowy ≥ 1:100
- Brak blokad, brak strat ciśnienia
- Brak mechanicznych części ruchomych, brak drgań
- Wyższe prędkości przepływu w przypadku wodoru
- Możliwość przeniesienia kalibracji na inne media
Oprócz klasyfikacji zależnej od zawartości wodoru, przepływomierze USM można również rozróżniać na podstawie ich zastosowania w instalacjach gazowych, sieciach przesyłowych oraz sieciach dystrybucyjnych:
Wskaźnik jakości gazu (GQI): wyznaczenie zawartości wodoru
Oprócz podstawowych wartości pomiarowych i wymaganej wysokiej dokładności, ultradźwiękowe przepływomierze gazowe (USM) oferują dodatkowe zalety: dzięki zastosowaniu w przepływomierzu USM "wskaźnika jakości gazu" (gas quality indicator, GQI) urządzenie to umożliwia wykrywanie zmian w składzie gazu na podstawie prędkości dźwięku. Dzięki niezwykle dużej prędkości dźwięku w wodorze można bardzo dokładnie wykrywać nawet niewielkie zmiany w zawartości tego gazu. Jeśli znany jest skład lub prędkość dźwięku w gazie wzorcowym (bez wodoru), można również bardzo dokładnie określić zawartość wodoru. Urządzenie porównuje zmierzoną wartość prędkości dźwięku z referencyjną wartością prędkości dźwięku. Zakładając, że wszelkie różnice wynikają wyłącznie z dodania domieszki wodoru, zawartość wodoru można wyznaczyć bezpośrednio. Przybliżenie odbywa się za pomocą wzoru empirycznego zaimplementowanego w oprogramowaniu przepływomierza USM.
Gotowość do pomiarów rozliczeniowych gazu zawierającego 100% wodoru
Wysokiej klasy przetworniki wodoru zaprojektowane z myślą o dużej prędkości dźwięku, całkowicie nowy moduł elektroniki działający z częstotliwością 1000 kHz oraz nowatorskie procesy sterowania produkcją i testowania: Endress+Hauser przedstawia opracowany na bazie wieloletniego doświadczenia w pomiarach rozliczeniowych FLOWSIC610, najnowocześniejszy przepływomierz ultradźwiękowy zatwierdzony zgodnie z dyrektywą MID do pomiarów rozliczeniowych wodoru dla rozmiarów średnic od DN50 do DN400 z klasą dokładności pomiarów rozliczeniowych 1.
Oprócz standardowych interfejsów do transmisji danych urządzenie FLOWSIC610 posiada dedykowany interfejs do uruchamiania i serwisowania: dzięki adapterowi zgodnemu ze standardem Bluetooth® możliwe jest nawiązywanie połączeń bezprzewodowych o zasięgu do 30 m z urządzeniami końcowymi obsługującymi technologię Bluetooth®. Nie są potrzebne żadne dodatkowe adaptery dostosowane do konkretnych urządzeń. Alternatywnie dostępny jest również adapter przewodowy z interfejsem USB-C.
Podsumowanie
Ultradźwiękowe przepływomierze gazu są z powodzeniem stosowane od ponad 20 lat do pomiaru ilości gazu w szerokim zakresie zastosowań. Wykorzystuje się je również w pomiarach gazów o różnej zawartości wodoru. Urządzenia wykorzystywane w tych zastosowaniach, w tym także produkty z rodziny FLOWSIC, zostały dostosowane i zatwierdzone do pomiarów rozliczeniowych gazu ziemnego o zawartości wodoru do 30% obj. Dlatego operatorzy sieci gazowych mogą zgodnie z obowiązującymi trendami wprowadzać wodór wytworzony z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii do istniejących sieci gazowych, a także przesyłać i magazynować wodór, bez konieczności ponoszenia dodatkowych nakładów na nowe przepływomierze gazowe.
Możliwości diagnostyczne przepływomierzy USM pozwalają nie tylko na pomiar ilościowy, ale także na określenie jakościowe składu gazu. Poszerzają więc w ten sposób gamę metod analizy wodoru. W niektórych zastosowaniach mogą zastąpić kosztowne techniki analityczne służące do oznaczania zawartości wodoru, takie jak np. ekstrakcyjna chromatografia gazowa.
W przypadku urządzeń już zainstalowanych zaleca się przeprowadzanie kontroli stanu technicznego w celu oceny wpływu jaki wywiera na nie dodanie maks. 30% wodoru. Ponadto należy je sprawdzać pod kątem występowania objawów starzenia, warunków montażu lub działania regulatora ciśnienia. Wsparcie dla tego rodzaju analiz może zapewnić dział serwisu firmy Endress+Hauser.
