Massestrømsmåler for H2 og flytende CO2

Accurate mass flow measurement is important when valuable gases and liquids change hands. This is relevant going forward with large planned investments in the production, transport and distribution of hydrogen (H2), as well as for carbon capture, transport and storage (CCS). Hydrogen is a very light gas, and the preferred transport from producer to end user is through pipelines. Low density will require large pipes for the desired capacity without the need for energy-consuming pumps, and there will be a need/demand for mass flow measurement. For a CCS value chain, there will be a need/requirement for measuring the mass of CO2 that is transferred between parties. For efficient transport of CO2, it will be necessary to compress it into liquid form, which creates an additional requirement for the lowest possible pressure drop in the meter to avoid gas bubbles and thus increased measurement uncertainty. Our principle has technological advantages when measuring large-scale pipe transport of H2 and liquid CO2. Cignus has developed new technology to measure the mass flow of fluids through pipes. The principle is patented and uses of the fact that the gas and liquid have inertia. A similar principle is used in traditional coriolis meters, regarded as current state of art, but with significant limitations with large pipe diameters, high operating pressures and low gas densities. The Cignus technology has no limitations for large pipe diameters, high operating pressures or low gas density. The technology is also suitable for underwater installations. Cignus has collaborated with several global energy and technology companies to define requirements for such meters. The basic technology in the project has been developed through theoretical modelling, design, construction, testing and verification of prototypes. These prototypes are significantly smaller than final producs, but still with sufficient dimensions to verify the performance potential with acceptable scaling risk. Main results from the project are: 1. Developed method for wireless excitation and readout of measuring principle using electromagnetic systems. This means that there is no need for electrical feed-throughs in the pressure bearing process pipe. Simulation of electromagnetic systems confirms that the concept is scalable to large dimensions. 2. Developed electronics and signal processing algorithms for rapid changes in mass flow and fluid density. Demonstrated jump response in water flow when manually opening the ball valve to typically less than 1 second. This includes the actual rise time of the water flow, and is thus a worst case estimate for jump response. 3. Demonstrated good functionality and high accuracy for mass flow for air, N2, water and CO2 in gas, liquid and supercritical phase for prototype with internal diameter 77mm. Total accuracy in liquid phase CO2 for mass flow from 3 to 41 tonnes/hour, temperature from 15 to 25 C and pressure from 50 to 66 bar is better than 1.5%FS. Initial trials with 2-phase CO2 flow indicate good functionality and accuracy better than 2%FS for volume flow up to 10% CO2 gas injected into CO2 liquid. The results from the CO2 test confirm that Cignus' technology can contribute to simpler and more efficient fiscal measurements of CO2. 4. Demonstrated good functionality and high accuracy for measuring H2 at 10, 25 and 40 bar for prototype with internal diameter 44 mm. Accuracy for mass flow from 100 to 600 kg/hour at 40 bar is better than 0.3%. These experiments have been carried out at DNV Groningen, which is a test laboratory with reference accuracy in the range of 0.3 – 0.5%. This prototype is dimentioned for the next generation of H2-electrolysers with a capacity 15-30 MW, and provide good confirmation that the technology is suitable for fiscal measurements of H2 production from individual electrolysers, but could also contribute for process optimization of the electrolysis process. There are no limitations when scaling to large integrated plants with many electrolysers. 5. Measurement accuracy for mass flow < 0.1% by water calibration at an independent laboratory confirms that the technology has an accuracy potential equivalent to traditional Coriolis technology. 6. Internal pressure loss which is < 1/10 of the pressure drop in a similarly large traditional Coriolis meter. A low pressure drop is important to avoid boiling and gas bubbles when measuring liquids near the phase transition from liquid to gas. Low pressure drop is also important when measuring gas-phase pipe transport, thereby reducing the need for energy-consuming compressor stations. 7. Cignus has filed 3 new patent applications.

Følgende virkninger og effekter er oppnådd: 1. Demonstrert nytt og patentert konsept for massestrømsmåling med høy nøyaktighet og lavt internt trykkfall som er skalerbart til store dimensjoner, høye operasjonstrykk og svært lave tettheter, og som dermed lukker teknologigap for storskala H2- og CCS-anvendelser. 2. Samarbeid med Equinor på gjennomføring av CO2-testkampanje i testloop for 2-fasestrømning på Herøya. Ombygging og tilpassing av testloop, samt gjennomføring av CO2-tester i gassfase, væskefase og superkritisk fase er finansiert av Equinor og Climit. 3. Etablert prosjekt for utvikling av teknologi for H2-måling for storskala rørtransport i partnerskap med Equinor og Gassco med delfinansiering fra Forskningsrådet. 4. Etablert prosjekt for kvalifisering av fullstørrelse CO2-måler for installasjon i storskala CCS-anlegg. Prosjektet finansieres av Climit-programmet, industripartner og Cignus. 5. God dialog med globale energiselskaper og nettverksoperatører som erkjenner teknologigap for eksisterende teknologier ved oppskalering av CCS- og H2-verdikjeder som kan lukkes med Cignus teknologi. Potensielle virkninger og effekter basert på prosjektets resultater: 1. Ferdig kvalifisert og installert CO2-måler i et fullskala CCS-anlegg i 2026. Typisk vil denne måleren ha innvendig diameter 11-12 tommer, designtrykk ca 300 bar og målekapasitet opp til 1000 tonn/time. En slik måler kan bli bransjestandard for fullskala offshore rørtransport av CO2. I tillegg vil en slik måler tilfredsstille målekrav ved lossing av CO2 skipslast direkte til subsea lagring, som er et CCS transportkonsept som evalueres av flere rederier i samarbeid med energiselskaper. 2. Etablert volumproduksjon og kommersielle leveranser av CO2-målere til storskala CCS-anlegg innen utgangen 2026. 3. Cignus vil sikre en fungerende og tilstrekkelig stor lagringsindustri for CO2, og bidra til en mest mulig kostnadseffektiv verdikjede for CCS, fra fangstanlegg til permanent lagring. 4. Demonstrere robusthet og god nøyaktighet for 2-fase strømningsmåling for inntil 20% gassfase innblandet i flytende fase CO2. 5. Installasjon av prototype H2-måler i H2-pilotanlegg i 2025. 6. Etablert designkonsept for H2 egnet for skalering til storskala rørtransport for trykkområdet fra 30 til 150 bar. 7. Kvalifisering av full-størrelse H2-måler for storskala rørtransport i 2027. 8. Etablert volumproduksjon og kommersielle leveranser av H2-målere til storskala rørtransport innen utgangen 2027. 9. Cignus bidrar til en fungerende energidistribusjon og energilagring hvor hydrogen brukes som energibærer på en tilstrekkelig skala, og i omtrent samme størrelsesorden som dagens energitransport, både elektrisk og petroleumsbasert.

Nye former for energibærere vil være en stor del av det grønne skiftet. I tillegg til batterier, vil hydrogen bli en viktig energibærer. Når hydrogen overføres, er det behov for mengdemåling. Dette prosjektet går ut på å løfte en ny innovasjon for mengdemåler, fra konsept til demonstrert prototype, og hvor ytelsen verifiseres. Teknologi for slike målinger som finnes i dag er lite egnet for nettopp hydrogen. En annen bruk som det i dag ikke finnes gode løsninger for, er måling for rørtransport av CO2, spesielt i mengder som er nødvendige for at karbonfangst skal ha signifikans. Vårt konsept er også velegnet for slike CO2-målinger. Vår massestrømsmåler baserer seg på den effekten massetregheten til gassen/væsken gir på vibrerende systemer når massen er i bevegelse. Dette har mange likheter med coriolismålere, som har eksistert i ca. 50 år. Hovedbegrensningen til coriolismålere er at det trykkbærende røret også skal vibreres. Er rørdimensjonene store, blir også røret for stivt til å kunne få store nok utslag til en målbar effekt. Vår løsning er å beholde røret tykkvegget, og i stedet for å vibrere røret, vibrere en eller flere skillevegger inne i røret i torsjon (vridning). Skilleveggene kan være så myke som nødvendig for å få et godt målbart signal. Vårt konsept er basert på et torsjonselement som er opphengt i endepunktene i et rør. Torsjonsvibrasjon genereres av permanentmagneter i midtposisjon med elektromagnet plassert på utsiden av røret, mens permanentmagneter montert oppstrøms og nedstrøms driver med tilsvarende elektromagneter på utsiden av røret registrerer en tidsforskjell i utsving som er proporsjonal med massestrømmen i røret. Andre fordeler med prinsippet er lavt trykkfall, og at det er godt egnet for undervannsinstallasjoner. De viktigste utfordringene er å utvikle teknologi for å oppnå mekanisk stabilitet i torsjonselement, eksitering av torsjonsbevegelse gjennom rørvegger for høye operasjonstrykk, og oppnå høy nøyaktighet for komplett instrument.