Goed afrekenen bij het waterstof tanken

Verschillende varianten van waterstof tanken

Waterstof wordt standaard afgeleverd op een druk van 350 bar en 700 bar. Gemiddeld wordt er 4 à 5 kg waterstof geleverd aan personenwagens en 20 à 40 kg aan bussen en vrachtwagens.

Voor aflevering van waterstof op 350 of 700 bar aan personenwagens worden vulpistolen gebruikt met een inwendige diameter van 4 mm in combinatie met een afleverslang met een inwendige diameter van 6 mm. Voor aflevering van waterstof op 350 bar aan bussen en vrachtwagens worden vulpistolen gebruikt met een inwendige diameter van respectievelijk 8 en 12 mm in combinatie met een afleverslang met een inwendige diameter van 6 mm.

Binnen de norm onderscheidt men 3 vulsnelheden:

• Slow refuelling: 30 g/s (1,8 kg/min)
• Normal refuelling: 60 g/s (3,6 kg/min)
• Fast refuelling: 120 g/s (7,2 kg/min)

De daadwerkelijke gemiddelde vulsnelheid is meestal lager, omdat die afhankelijk is van verschillende parameters waaronder het volume van de middendruk buffers en hogedruk buffers op het station en de frequentie waarmee voertuigen komen tanken. Voor brandstofcelvoertuigen duurt het tanken bij een toevoer van 700 bar en -40 °C voorkoeling minder dan 3 minuten met een tankvulling van 3 - 4 kg.

Foto: Aflevering van waterstof op 350 en 700 bar. Links met het blauwe label een hoge flow variant voor vrachtwagens op 350 bar.

Foto: engineer werkt aan een Resato waterstof tanksysteem

Pre cooling van waterstof

In tegenstelling tot veel andere moleculen wordt waterstof warmer als het uitzet. Dit wordt ook wel een omgekeerd Joule-Thompson effect genoemd. Omdat waterstof dus opwarmt tijdens expansie in de tank van het voertuig, dient het af te leveren waterstof tijdens het snel vullen van voertuigen eerst gekoeld te worden om de maximale toegelaten temperatuur van 85°C in de brandstoftank van het voertuig niet te overschrijden. De koeling die hiervoor nodig is, is afhankelijk van de afleverdruk (350 of 700 bar) en de beoogde vulsnelheid, en bedraagt maximaal -40°C.

Voor de gaskoelers die worden aangewend op een waterstoftankstation bestaan er verschillende concepten:

• Een spiraalvormige buis waarbij gasvormig waterstof in tegenstroom met een koelmiddel wordt geleidt.
• Een pijpenwarmtewisselaar waarbij het waterstof op hoge druk door de pijpen en het koelmiddel door de mantel.

Coriolis flowmeter voor waterstof

Waterstof wordt bij zeer hoge druk, hoge snelheden en wisselende temperaturen overgebracht van opslagtank naar brandstofcelvoertuig. Als het tanken start is het drukverschil over de flowmeter groot, als de tank bijna vol is is het drukverschil bijna nul. De waterstof passeert de flowmeter misschien bij -40 °C, maar warmt op naar 80 °C in de tank. Dus de temperatuur fluctureert over een tankbeurt ook enorm. Tot slot start de flowsnelheid hoog, om over de tankbeurt heen naar 0 terug te lopen. Als alle parameters enorm fluctueren dan is flowmeten enorm moeilijk. Bovendien is datgene wat in rekening gebracht moet worden feitelijk afzonderlijke moleculen en niet het volume bij een bepaalde druk. Daarmee vallen alle meetprincipes af en blijft de coriolis flowmeettechniek over.

Zelfs voor een coriolis flowmeter is deze applicatie niet een alledaagse. Dat heeft vooral met de hoge drukken te maken. Maar de fluctuatie van de parameters vraagt ook een ongelofelijk goede nulpunt stabiliteit van de meter. Aan het laagste uiteinde van het meetbereik wordt de onzekerheid zelfs gedomineerd door de nulpuntstabiliteit.
Terwijl de absolute nauwkeurigheid en repeateability ook goed moet zijn omdat de wetgeving dat vereist.

Tot slot is het toepassen van de meter niet eenvoudig, omdat de hoeveelheid gas die zich tussen de flowmeter en het voertuig bevindt niet bekend is omdat bij veranderende druk en temperatuur van dat gas het bleed volume niet exact bekend zijn. Dat volume moet dus zo klein mogelijk gehouden worden. Dat is de reden dat de flowmeter in de dispenser wordt gebouwd, zo dicht mogelijk bij het voertuig.

Illustratie: Coriolis massa flow meters van Tricor passen we toe in H2 dispenser stations voor voertuigen, zowel op 350 bar als op 700 bar.

Foto: tubetrailer voor bevoorrading van waterstof. Soms blijft de tubetrailer op locatie en wordt direct vanuit de tubetrailer getankt. Dit gebeurt vooral op tijdelijke lokaties zoals bouwplaatsen.

Plaatsing van de flowmeter in het systeem

De plaatsing in het systeem van massastroommeter bepaalt in belangrijke mate de nauwkeurigheid.

1. Geïnstalleerd na de compressor en vóór de warmtewisselaar: Dit scenario toont duidelijk uitdagingen tijdens het meten. Reden: het drukverschil over de meter variereert en dat geeft onzekerheid over de waterstofhoeveelheid die in de drukleiding zit aan het einde van de tankbeurt.
2. Gebruik van de debietmeter na de warmtewisselaar om deze problemen op te lossen. De meetafstand tussen de debietmeter en de dispenser is korter, de druk is constant en daarom is de nauwkeurigheid van het tanken beter. Hierdoor wordt de uitdaging voor de debietmeter echter aanzienlijk groter. Zowel de hoge druk en de temperatuurgradiënt worden een speciale uitdaging voor de nulpuntstabiliteit van de debietmeter. De resultaten zijn goed, maar niet helemaal bevredigend voor de toepassingseisen.
3. Debietmeter direct in de dispenser, stroomopwaarts van de warmtewisselaar en bij constante druk. In dat geval is er geen ongedefinieerd gasvolume meer in het leidingsysteem. De debietmeter wordt niet blootgesteld aan de temperatuurgradiënt. Hiermee wordt de beste nauwkeurigheid tijdens het tanken bereikt.

Aanbevelingen voor coriolis custody transfer metingen

Bij de toepassing van coriolis flowmeters in de toepassing bij waterstof refueling zijn er veel aspecten waar rekening mee gehouden moet worden. De sensor moet bijvoorbeeld waar mogelijk worden beschermd tegen kleppen, verdeelstukken en soortgelijke fittingen die turbulentie veroorzaken. Het is aan te bevelen om kleppen downstream te plaatsen.

Bij de selectie van de debietmeter moet ook meegenomen worden dat die de uitdaging van het koelen tot -33 °C in minder dan 30 seconden aankan.

Daarnaast is vibratie een mogelijk probleem. Gehomologeerde coriolis flowmeters zijn bestand tegen een vastgelegde hoeveelheid vibratie. Dat betekent niet dat ze ongevoelig zijn voor vibratie. Daarom is het verstandig om de coriolis flowmeter ondersteund te monteren (met brackets) en mag de flowmeter geen ander leidingwerk ondersteunen, omdat het een gevoelig meetinstrument is wat trilling van meetbuizen meet. Doorgave van trillingen uit het systeem naar de flowmeter moeten zoveel mogelijk voorkomen worden. Het vrij hangend aan pijpwerk monteren van een coriolis flowmeter is daarom ook uit den boze. Wees er ook van bewust dat veel coriolis flowmeters niet in elke orientatie gemonteerd kunnen worden: vaak is uitsluitend horizontale montage toegestaan.

Verder nog wat algemene aanbevelingen:

• Vastgesteld stromingsprofiel aanwezig.
• Inlaatsectie moet overeenkomen met montagelengte.
• Regelkleppen altijd stroomafwaarts geplaatst.
• Stromingsbuizen moeten altijd schoon worden gehouden.
• De procestemperatuur moet worden geregeld zoals gespecificeerd.
• De procesdruk moet worden geregeld zoals gespecificeerd
• De omgevingstemperatuur moet variëren van + 10 °C tot + 30 °C
• De coriolis flowmeter heeft een opwarm/stabilisatie tijd.
• Standaardkalibratie moet worden uitgevoerd bij 20%, 50% en 100% van de range.
• Hoogfrequente interferentie moet worden geregeld volgens de EMC-normen.

Illustratie: een WEH vulpistool en receptacle.

Foto: engineer werkt aan een Resato waterstof tanksysteem

Permeabiliteit van waterstof en verbrossing

Bij de selectie van componenten voor het systeem en de coriolis flowmeter speelt de permeabiliteit van waterstof een rol. Onder hoge druk kunnen de kleine waterstof moleculen in allerlei stoffen binnendringen. Dat verandert de fysische eigenschappen van deze stoffen. Dat is de voornaamste levensduur beperkende factor van vulpistolen, recepticles, slangen en de flowmeter. Kunststoffen kunnen chemisch reageren met waterstof, of afwijkende fysische eigenschappen krijgen door absorptie of zwelling. De gevoeligheid van het materiaal wordt beïnvloed door factoren zoals druk, temperatuur, tijdsduur, en gassamenstelling.
De kwaliteit van metalen kan achteruit gaan door de interactie met waterstof - waterstofverbrossing is het fenomeen dat een metaal bros wordt als gevolg van de opname van waterstof. Dat leidt tot een verandering in treksterkte, breuk en metaalmoeheid. Voor toepassingen waarbij waterstofabsorptie optreedt terwijl een onderdeel in gebruik is, zijn het gebruik van staal met een lagere sterkte en vermindering van de restspanning en toegepaste spanning manieren om breuk door waterstofbrosheid te voorkomen.

Meting van waterstof vastgelegd in normen

De nauwkeurigheidseis voor de gebruikte debietmetingstechnologie is wettelijk vastgelegd in EU
Richtlijn 2014/32/EU Bijlage IV (MI 002) "Gasmeters en volumecorrectoren". Toegepaste geharmoniseerde normen of
normatieve documenten: OIML R 137 (componentniveau) en OIML R139:2018 (systeemniveau).