Medição de hidrogênio e gás natural enriquecido com hidrogênio usando medidores de vazão ultrassônicos

A produção de hidrogênio proveniente de energias renováveis e a incorporação do hidrogênio nas redes de gás existentes desempenham um papel importante no caminho para uma matriz energética neutra em CO2. O hidrogênio pode ser produzido em locais onde há uma alta disponibilidade de energia renovável. Além disso, ele pode ser armazenado e transportado para os consumidores através das redes de gás natural existentes como fonte de energia adicional. O hidrogênio pode ser armazenado e transportado em concentrações de até 30% em volume na rede de distribuição de gás natural existente.

As redes para hidrogênio puro serão inicialmente expandidas regionalmente. Posteriormente, elas se unirão gradualmente para eventualmente formar redes maiores. Estimativas para uma rede de transporte de hidrogênio que abranja toda a Europa apontam que até 40.000 km de rede poderão ser construídos até 2040.

A capacidade de medir de forma confiável e estável a vazão do gás natural com hidrogênio misturado está, portanto, se tornando cada vez mais importante. A mudança na composição do gás representa novos desafios de medição para as diversas tecnologias de medição. Isso porque o hidrogênio adicionado afeta as propriedades do gás natural: a densidade, viscosidade, explosividade, taxa de vazão e velocidade do som do gás sofrem mudanças. Isso impõe desafios completamente novos para tubulações, compressores, vedações, válvulas, tecnologias de medição, etc., por exemplo, no que diz respeito ao risco de vazamentos e explosões ou à determinação do poder calorífico. Por isso, os operadores de redes de gás e os fornecedores de gás estão se perguntando como isso afetará o desempenho de seus medidores de vazão de gás.

A medição de vazão por ultrassom estabeleceu um novo padrão de confiabilidade, durabilidade e precisão de medição nas indústrias de gás natural e de gases de processo nas últimas duas décadas.
Adicionar uma pequena porcentagem de hidrogênio ao gás natural já aumenta significativamente a velocidade do som (SOS) da mistura de gás. Em 100% de hidrogênio por volume, ela é cerca de três vezes aquela do gás natural. Os diagramas da Figura 1 mostram a velocidade do som para o gás natural, uma mistura de hidrogênio com 30% em volume e hidrogênio puro.

Isso impõe várias exigências ao design da tecnologia de medição por ultrassom. É necessário garantir tanto uma faixa de medição equivalente à do gás natural quanto a incerteza de medição exigida. Isso inclui reduzir a dispersão dos valores medidos, diminuir as sensibilidades cruzadas a variações do meio, pressão e temperatura, e reduzir os efeitos fluido-mecânicos.

Para gás natural com misturas de hidrogênio de até 30% em vol., ainda é possível compensar esse efeito.

As mesmas especificações e requisitos — especialmente no que diz respeito à precisão da medição — podem ser esperados para futuras medições de transferência de custódia de misturas de hidrogênio e hidrogênio puro, assim como para medições de gás natural. Os medidores de vazão de gás ultrassônicos (USM) devem ser adaptados adequadamente às novas tarefas de medição.

No entanto, os gasodutos dedicados ao transporte de hidrogênio não serão significativamente diferentes dos gasodutos de gás natural. As exigências são semelhantes às dos atuais medidores de gás natural. Para uma capacidade de transporte com o mesmo valor energético, são necessários diâmetros nominais maiores ou taxas de vazão mais elevadas nos sistemas de transporte. Tecnologias de medição por ultrassom projetadas especialmente para hidrogênio devem, portanto, permitir velocidades máximas do gás mais altas.

Como essas tecnologias atendem muito bem a todos os requisitos, elas são ideais para a medição de vazão de transferência de custódia nas futuras redes de transporte e distribuição, seja para misturas de hidrogênio ou hidrogênio puro.

As vantagens da medição de vazão usando ultrassom são:

• Ampla gama de diâmetros nominais (DN50 a DN1400)
• Alto span de medição de ≥ 1:100
• Sem obstrução, sem perda de pressão
• Sem peças mecânicas móveis, sem pulsação
• Maiores taxas de vazão com hidrogênio
• A calibração pode ser transferida para outros meios

Além da classificação com base no teor de hidrogênio, as tecnologias de medição por ultrassom também podem ser diferenciadas de acordo com sua utilização em aplicações de gás de processo, em redes de transporte e em redes de distribuição:

Além dos valores medidos primários e da alta precisão exigida, os medidores de vazão de gás por ultrassom (USM) oferecem ainda mais vantagens: graças à implementação de um “indicador de qualidade do gás” (GQI) no USM, esse equipamento permite detectar alterações na composição do gás por meio do valor da velocidade do som (SOS). Mesmo pequenas mudanças no teor de hidrogênio podem ser detectadas com muita precisão devido à velocidade do som extremamente alta do hidrogênio. Se a composição do gás de referência ou sua velocidade do som (sem hidrogênio) forem conhecidas, também é possível determinar com precisão o teor de hidrogênio. O equipamento compara o valor da velocidade do som medida com o valor de referência. Supondo que qualquer diferença somente possa ser atribuída à adição de hidrogênio, o teor de hidrogênio pode ser determinado diretamente. A aproximação é feita através de uma fórmula empírica implementada no firmware do medidor.

Transdutores de hidrogênio de última geração desenvolvidos para alta velocidade de som, componentes eletrônicos completamente novos que operam em uma frequência de 1000 kHz, e processos de controle e teste de produção reformulados: Com base em anos de experiência em medições de transferência de custódia, a Endress+Hauser apresenta o FLOWSIC610, um medidor de vazão ultrassônico de última geração, aprovado pela MID para medição de gás hidrogênio em transferência de custódia, para todos os tamanhos de DN50 a DN400, com classe de precisão fiscal 1.

Além das interfaces padronizadas para comunicação de dados, o FLOWSIC610 é equipado com uma interface dedicada para comissionamento e serviço: equipada com o adaptador compatível com Bluetooth®, conexões sem fio de até 30 m são possíveis com equipamentos terminais com a funcionalidade Bluetooth®. Não são necessários adaptadores adicionais específicos para o equipamento. Como alternativa, um adaptador com fio com interface USB-C também está disponível.

Medidores de vazão de gás ultrassônicos têm sido usados com êxito há mais de 20 anos para medir a quantidade de gás em uma ampla variedade de aplicações. Isso inclui aplicações para gases com diferentes teores de hidrogênio. Os equipamentos utilizados nessas aplicações, bem como outros da família de produtos FLOWSIC, já foram adaptados e aprovados para a medição fiscal de gás natural com teor de hidrogênio de até 30% em volume. Operadores de redes de gás podem seguir a tendência de injetar hidrogênio produzido por fontes renováveis nas redes de gás existentes, bem como transportar e armazenar o hidrogênio — sem a necessidade de investimentos adicionais em novos medidores de vazão de gás.

As opções de diagnóstico dos medidores de vazão ultrassônicos permitem não apenas uma medição quantitativa, mas também uma determinação qualitativa do gás. Assim, o equipamento fornece um método de análise complementar para hidrogênio. Isso pode substituir técnicas analíticas dispendiosas para a determinação do hidrogênio, como a cromatografia gasosa com extração, em algumas aplicações.

Para equipamentos já instalados, uma inspeção das condições do equipamento é recomendada para avaliar o impacto da incorporação de hidrogênio até 30%. O efeito do envelhecimento, das condições de instalação ou do regulador de pressão também deve ser verificado. O departamento de assistência técnica da Endress+Hauser pode oferecer suporte a essa avaliação.