Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
Firma Heinrichs Messtechnik, člen skupiny Kobold Group, je první a zatím jediná na světě, která má certifikát OIML R 139/2018 pro měření hmotnostního průtoku vodíku při plnění nádrží vozidel vybavených vodíkovými palivovými články. Jde o náročné měření průtoku paliva, které je pod velkým tlakem a z hlediska měření má nepříznivé fyzikální vlastnosti.
Jednou z možností, jak dosáhnout dopravy ohleduplnější k životnímu prostředí, než je tomu u současných vozidel se spalovacími motory, je využití palivových článků s vodíkem. V palivovém článku reaguje vodík s kyslíkem. Při reakci se uvolňuje energie a vzniká voda. Vodíkové palivové články představují alternativu k běžným elektromobilům s akumulátory, avšak jejich využití v praxi je stále doprovázeno množstvím technických problémů, které je třeba vyřešit.
Jedním z nich je tankování paliva – plnění vodíku do nádrže vozidla pod velkým tlakem (nejčastěji 70 MPa). Na rozdíl od dobíjení elektromobilů je tankování vodíku mnohem rychlejší, což je nezanedbatelná výhoda, naproti tomu ve srovnání s tankováním běžného benzinu nebo nafty je náročnější (obr. 1).
Vodík se při rozpínání už za běžné teploty zahřívá. Je to způsobeno mezimolekulárními silami. Kdyby chtěl čtenář najít podrobnosti v učebnici fyziky, jev změny teploty reálných plynů při rozpínání se nazývá Jouleův-Thomsonův. Teorie je dosti složitá, ale v praxi to znamená, že při tankování vodíku je třeba přesně měřit změny tlaku i teploty.
Německá firma Heinrichs Messtechnik GmbH, člen koncernu Kobold Group, je specialista na měření průtoku i v náročných úlohách. Nově uvedla na trh Coriolisův průtokoměr TMU-W 004, který přesně měří hmotnostní průtok i při změnách tlaku a teploty měřeného plynu. Průtokoměr získal – jako první a zatím jediný průtokoměr na světě – certifikaci podle OIML R 139/2018 (Měřicí systémy pro stlačená plynná paliva určená pro vozidla) a je možné jej používat jako stanovené měřidlo v plnicích stanicích. Jeho štíhlé, ale robustní tělo chrání speciálně uspořádané senzory a měřicí obvody, využívající pro přesné měření hmotnostního průtoku Coriolisův jev (obr. 2). Připojený převodník převádí signály ze senzoru na pulzní, frekvenční nebo stavové výstupy a nebo analogový signál 4 až 20 mA/HART. Současně se měří i teplota měřeného plynu.
Průtokoměr je vhodný při měření tlaku až 100 MPa. Průtok od 0,133 do 4 kg/min měří s přesností ±0,5 % měřené hodnoty (plus nestabilita nuly).
Nově vyvinutý průtokoměr je již používán v plnicích stanicích firmy Nel Hydrogen.
Vozidla s vodíkovými palivovými články v Česku a v Německu
Je-li v České republice infrastruktura nabíjecích stanic pro automobily zatím slabá, co se týče plnicích stanic na vodík, není žádná. Pomine-li se plnicí stanice v Neratovicích, která je využívána pro městskou dopravu (původně Nerabus, nyní Arriva), letos se plánuje výstavba tří veřejných vodíkových stanic u společnosti Benzina a jsou připravené projekty na další dvě. Některé kraje a města by chtěly využít zkušenosti z Neratovic a provozovat vodíkové autobusy na městských linkách a v regionální dopravě (např. Praha, Ústí nad Labem nebo Středočeský kraj), což by bylo spojeno s výstavbou dalších, pravděpodobně však neveřejných plnicích stanic. Existují i plány na české vodíkové vlaky (Arriva).
V Německu je situace jiná. Díky podpoře vlády má Německo nejvíce plnicích stanic vodíku v Evropě a ve světě je na druhém místě za Japonskem. Ke konci roku 2019 bylo v Německu 87 plnicích stanic na vodík. Rozvoj dopravy s alternativními pohony podporuje také Green Deal for Europe, „zelená dohoda“, jejímž cílem je omezit negativní vliv činnosti člověka na životní prostředí. Na naplňování cílů této dohody by měla být postavena obnova hospodářství EU po koronavirové krizi.
Měření průtoku vodíku v plnicích stanicích
Nádrže osobních vozů se nejčastěji plní tlakem 70 MPa. Je to proto, aby bylo dosaženo potřebné hustoty energie v palivu, nutné pro ekonomicky využitelný provoz. Teplota při plnění nesmí přesáhnout +85 °C, protože vyšší teploty by mohly narušit těsnost nádrže. Vzhledem k tomu, že vodík se při plnění zahřívá, je nutné jej před plněním ochladit. Měření průtoku za vysokého tlaku je velmi náročné.
Firma Heinrichs Messtechnik proto optimalizovala své osvědčené Coriolisovy průtokoměry tak, aby byly schopné měřit za vysokého tlaku. Výsledkem jsou průtokoměry TMU-W 004, verze průtokoměrů řady TMU-W určená speciálně pro plnění vodíku. Při vývoji těchto průtokoměrů byly pro optimalizaci uspořádání mechanických a elektromagnetických komponent využity pokročilé simulační metody, které umožňují simulovat kromě mechanických a elektrických vlastností i dynamiku proudění nebo vedení tepla.
Speciální uspořádání senzorů pro přesné výsledky
Průtokoměry pro plnicí stanice musí být co nejtenčí. Ve srovnání s předchůdci tedy mají průtokoměry TMU-W 004 šířku jen 35 mm. Uvnitř krytu, který je přes svou štíhlost mechanicky odolný, jsou dvě paralelní měřicí trubice tvaru U. Měřicí princip je stejný jako u všech Coriolisových průtokoměrů: budicí systém vyvolá vibrace trubic a při proudění média trubicemi dojde k fázovému posuvu jejich kmitů. Umístění senzorů bylo optimalizováno tak, aby tento fázový posuv co nejlépe zachytily. Jejich signály jsou potom analyzovány v převodníku, kde je z posuvu vypočítán hmotnostní průtok (viz [Kadlec, Karel: Coriolisovy průtokoměry. Automa, 2010, č. 11, str. 40 až 42. Dostupné na https://www.automa.cz/Aton/FileRepository/pdf_articles/42308.pdf]). Tvar měřicích trubic, umístění senzorů a harmonizace s dalšími komponentami, např. polohou svorníku, který udržuje obě trubice ve stejné relativní poloze, byly pečlivě navrženy tak, že snímač je i přes silnou stěnu trubky velmi citlivý a přesný. Měřicí trubka musí mít silnou stěnu, aby odolala tlaku měřeného média do 100 MPa (a zkušebnímu tlaku do 150 MPa). Plně svařovaný kryt má pro zvýšení tuhosti prolisy, a poskytuje tudíž citlivému měřicímu systému uvnitř dostatečnou ochranu.
Výstupy průtokoměru
Výstupy převodníku jsou analogové (4 až 20 mA, HART), pulzní (frekvenční) nebo stavové. Uživatelé kromě průtoku získávají také informaci o teplotě média a volitelně i o jeho hustotě. To může být využito pro regulaci kompresoru, který vodík stlačuje: buď může být zvýšen jeho výkon, nebo naopak zastaveno čerpání. Převodník je rovněž vybaven dvouřádkovým LCD, který přímo zobrazuje měřenou hodnotu (obr. 3). Převodník je možné snadno nakonfigurovat na místě prostřednictvím čtyř tlačítek. Jimi lze nastavit výstup nebo vyvolat analýzu chyb.
Převodníky jsou k dispozici ve dvou variantách: k montáži přímo na průtokoměr nebo do rozváděče. V obou případech jsou jiskrově bezpečné, aby se snížilo riziko výbuchu nebo požáru v případě úniku vodíku.
Simulace umožňují dosáhnout vysoké přesnosti
Již bylo uvedeno, že při vývoji nových průtokoměrů uplatnila firma Heinrichs Messtechnik množství různých simulačních metod. Nikoliv však jen při vývoji konstrukce, ale také při návrhu výrobních postupů a kalibrace průtokoměrů. Simulace umožňují snadno a rychle ověřit spolehlivost a přesnost snímače ve všech myslitelných podmínkách.
Simulace uplatňuje firma Heinrichs Messtechnik při navrhování všech měřicích přístrojů, ovšem pro snímače měřící média o vysokém tlaku jsou zvláště důležité. „Při vývoji snímače TMU-W 004 jsme použili vysoce přesné metody simulace mechanického chování a proudění: metody konečných prvků (FEM, Finite Element Method), simulaci dynamiky proudění (CFD, Computational Fluid Dynamics) a simulaci interakce proudění s pevnými
předměty (FSI, Fluid Structure Interaction),“ informoval Guido Thometzki, ředitel Heinrichs Messtechnik. Jedině prostřednictvím simulací a počítačem podporované optimalizace konstrukce se podařilo splnit často protichůdné požadavky na vysokou přesnost, extrémní spolehlivost a odolnost proti vysokému tlaku měřeného plynu. Přesnost zůstává zachována i při změnách tlaku a teploty během plnění.
„Skutečnost, že TMU-W 004 nejen splnil požadavky OIML R 139/2018, ale výrazně je překročil a má třídu přesnosti 1,5 pro měření stlačeného vodíku, ukazuje, zvláště v mezinárodním srovnání, jak vynikající je tým, který průtokoměr vyvíjel,“ uvedl Thomas Chatzikonstantinou, technický ředitel firmy Heinrichs Messtechnik.
[Tisková zpráva Heinrichs Messtechnik, listopad 2020.]
Petr Bartošík
Firma Heinrichs Messtechnik GmbH (www.heinrichs.eu), založená v roce 1911 v Düsseldorfu, se specializuje na výrobu a prodej průtokoměrů, zvláště pro chemický a petrochemický průmysl. V 60. letech minulého století vyvinula celokovové plováčkové průtokoměry. V polovině 80. let byla první firmou v Evropě, která vyráběla vlastní Coriolisovy průtokoměry. V roce 2008 se stala součástí skupiny Kobold Group, což jí přineslo výrazné rozšíření okruhu zákazníků, zejména v zahraničí.
Firma sídlí v Kolíně nad Rýnem, kde vyrábí i všechny své produkty, a má přibližně 60 zaměstnanců.
V České republice prodává výrobky firmy Heinrichs Messtechnik reprezentační kancelář firmy Kobold (www.kobold.com).
Obr. 1. Plnění vodíku do nádrže automobilu není pro řidiče o mnoho složitější než tankování benzinu nebo nafty
Obr. 2. Coriolisův průtokoměr TMU-W 004: uvnitř robustního krytu jsou dvě paralelní trubice tvaru U
Obr. 3. Průtokoměr včetně převodníku
Obr. 4. Úspěšný vývojový tým
Tab. 1. Technické parametry průtokoměru TMU-W 004