Nøyaktig massestrømsmåling er viktig når verdifulle gasser og væsker skifter eier. Dette er aktuelt fremover med store planlagte investeringer i produksjon, transport og distribusjon av hydrogen (H2), samt for karbonfangst, -transport og -lagring (CCS).
Hydrogen er en svært lett gass, selv under høye trykk, har den ikke større tetthet enn isopor. Dette betyr at beste måten å transportere fra produsent til sluttbruker, er gjennom rørledninger. Lav tetthet vil kreve store rør for ønsket kapasitet uten behov for energikrevende pumper, og det vil bli behov/krav om massestrømsmåling. For en CCS-verdikjede vil det bli behov/krav for måling av mengde CO2 som overføres mellom aktører. For effektiv transport av CO2 vil det være nødvendig å komprimere til flytende form, som gir et ekstra krav til lavest mulig trykkfall i måler for å unngå gassbobler og dermed økt måleusikkerhet. Vårt prinsipp har teknologiske fortrinn ved måling av storskala rørtransport av H2 og av flytende CO2.
Cignus har utviklet ny teknologi for å måle massestrømmen av gasser og væsker gjennom rør. Prinsippet er patentert og benytter seg av at gassen og væsken har treghet. Liknende prinsipp brukes i det som kalles coriolismålere, som regnes som industristandard, men disse kan ikke brukes på store rørdiametre, høye operasjonstrykk og lave gasstettheter. Cignus teknologien har ingen begrensninger for store rørdiametre, høye operasjonstrykk eller lav gasstetthet. Teknologien er også egnet for undervannsinstallasjoner.
Cignus har i prosjektet samarbeidet med flere globale energi- og teknologiselskaper for å definere krav til ytelse for slike målere. Basisteknologien er i prosjektet utviklet ved teoretiske modellering, design, bygging, test og verifisering av prototyper. Disse prototypene er bygget en god del mindre enn de største man forventer at det vil bli behov for, men likevel med tilstrekkelige dimensjoner til å verifisere ytelsespotensialet med lavest mulig skaleringsrisiko.
Hovedresultater fra prosjektet er:
1. Utviklet metode for trådløs eksitering og utlesning av måleprinsipp ved bruk av elektromagnetiske systemer. Dette betyr at det ikke er behov for elektriske gjennomføringer i det trykkbærende prosessrøret. Simulering av elektromagnetiske systemer bekrefter at konseptet er skalerbart til store dimensjoner.
2. Utviklet elektronikk og signalbehandlingsalgoritmer for raske endringer i massestrøm og fluidtetthet. Demonstrert sprangrespons i vannstrøm ved manuell åpning av kuleventil til typisk lavere enn 1 sekund. Dette inkluderer faktisk stigetid for vannstrømmen, og er dermed et worst case estimat for sprangrespons. Mer omfattende og nøyaktige målinger av sprangrespons er planlagt.
3. Demonstrert god funksjonalitet og høy nøyaktighet for prototype med innvendig diameter 77 mm for luft, N2, vann og CO2 i gass-, væske- og superkritisk fase. Total nøyaktighet i flytende fase CO2 for massestrøm fra 3 til 41 tonn/time, temperatur fra 15 til 25 C og trykk fra 50 til 66 bar er bedre enn 1,5 %FS. Innledende forsøk med 2-fase CO2-strøm indikerer god funksjonalitet og nøyaktighet bedre enn 2 %FS for volumstrøm opp til 10% CO2-gass injisert i CO2-væske. Resultatene fra CO2-test bekrefter at Cignus teknologi kan bidra til enklere og mer effektiv fiskal måling av CO2 og dermed kunne lukke teknologigap ved skalering av CCS-verdikjeder.
4. Demonstrert god funksjonalitet og høy nøyaktighet for måling av H2 ved 10, 25 og 40 bar for prototype med innvendig diameter 44 mm. Total nøyaktighet for massestrøm fra 100 til 600 kg/time ved 40 bar er bedre enn 0,3 %. Disse eksperimentene er gjennomført i strømningslaboratoriet ved DNV Groningen, som er et testlaboratorium med referansenøyaktighet i området 0,3 – 0,5 %. Prototypen som er testet er dimensjonert for massestrøm tilsvarende neste generasjon hydrogen elektrolysører med kapasitet 15 til 30 MW, og H2-testene som er gjennomført gir dermed god bekreftelse at teknologien er velegnet for fiskale målinger av H2-produksjon fra enkeltelektrolysører, men i tillegg kunne bidra til prosessoptimalisering av elektrolyseprosessen. Det er ingen begrensninger med skalering til store dimensjoner og måling av H2-produksjon fra store integrerte anlegg med mange elektrolysører. Cignus planlegger nå for bygging av H2-målere for installasjon i pilotanlegg for hydrogenproduksjon med kapasitet 5 MW og oppover.
5. Målenøyaktighet for massestrøm < 0,1 % ved vannkalibrering hos uavhengig laboratorium bekrefter at teknologien har et nøyaktighetspotensiale tilsvarende tradisjonell coriolis teknologi.
6. Internt trykktap som er < 1/10 av trykkfallet i en tilsvarende stor tradisjonell coriolismåler. Lavt trykkfall er viktig for å unngå koking og gassbobler ved måling av væske nær faseovergangen fra væske til gass. Lavt trykkfall er også viktig ved måling av gassfase rørtransport for derved å redusere behovet for energikrevende kompressorstasjoner.
7. Cignus har i løpet av prosjektet levert 3 nye patentsøknader.
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.