Norskutviklet sensor kan bli en game-changer for hydrogenøkonomien

Betaler du for volum eller vekt? Når du fyller diesel, eller sjekker vannforbruket, så føles det både rett og naturlig å betale for antall liter. Men hvis du går ut på byen og kjøper deg en øl, og bartenderen fyller glasset med nesten bare skum, så vil du kanskje protestere på at det er en halvliter? 

Vi liker å vite hva og hvor mye vi betaler for, og da er måten det måles på avgjørende. Dette er grunnlaget for all handel. Og dette fungerer godt når målesystemene er omforent, fungerer og er på plass. 

Men det finnes noe som varierer veldig i hvordan det opptrer, og gjør det vanskelig å måle mengde av – og derfor gjør måling, regnskap og handel vanskelig.

Grønt skifte er avhengig av nøyaktig økonomi

Hydrogen er kroneksempelet på kompliserte målinger. Hvor mye flyter egentlig forbi et gitt punkt i røret?

For å løse problemet trengs forskning. Dermed tok Cignus Instruments kontakt med SINTEF, som har lang erfaring med detaljerte strømningsberegninger.

SINTEF-forsker Svend Tollak Munkejord forklarer:
– Energibærere som naturgass og hydrogen holder verdien i hvert molekyl. For verdens letteste gass, hydrogen, er det vanskelig å måle nøyaktig mengde, og så langt har denne måleproblematikken vært en hindring i veien for det grønne skiftet.

– For hvordan kan vi vite hvor mye hydrogen som selges, eller produseres av en elektrolysør, hvis vi ikke kan være sikre på at målingene er presise, spør forskeren.

Illustrasjonen viser de mange leddene i en fungerende hydrogenøkonomi. Presise målinger av faktisk energiinnhold i hydrogen har vært mangelvare. Men en ny sensor gjør det mulig. Illustrasjon: SINTEF VIS MER

Hydrogen er et bittelite molekyl, som trives best i gassform. Det må settes under ganske stort trykk for å bli tettere og nesten flytende, for å ta mindre plass. Og slike trykk krever sterke rør. Stive tykke rør. Gjerne ganske omfangsrike også, for å få flyttet store mengder.
Hydrogenet oppfører seg heller ikke helt som andre gasser i rør.

Den er så lett, så følsom og så komprimerbart at selv små trykk- og temperaturendringer får store utslag på eksisterende måleinstrumenter. Og hvis gassen med det minste av alle molekyl blir forurenset med noe større, så er utslaget enormt, og beregningen av energimengde blir overvurdert. På samme måte som at mengden drikkbart øl i et skumfylt glass er mindre enn et med en riktig topp av skum.

Behovet for presise mengdemålere for hydrogen er stort, og helt avgjørende for at hydrogen skal kunne selges som en vare i en grønn økonomi.

Tykke stive rør fungerer dårlig med vibrerende sløyfer

Så til den praktiske delen av problemet: De målerne vi har i dag for måling av massestrøm i rør, de ser nærmest ut som om røret har fått brokk, og slynger seg i en tynn liten sløyfe som vibrerer. Strømning av gass eller væske gjennom sløyfen gir ørsmå endringer i vibrasjonsmønsteret.

Ved å måle disse endringene kan man finne den såkalte massestrømmen i røret. Disse vibrerende sløyfene, rørbrokkene, kaller vi coriolismålere. Ofte trengs det flere slike coriolismålere parallelt, fordi de kan bare ha en viss diameter og veggtykkelse før de blir ineffektive.

Problemet med å måle hydrogen med slike målere er at det trengs tykke, stive rør for å holde på det høye trykket og samtidig ha tilstrekkelig dimensjon for nødvendig leveringskapasitet. Men det er akkurat det motsatte av hva coriolismålerne er designet og laget for.

Dette paradokset har nå fått en løsning i en ny type måler som ikke har noen trykk eller størrelsesbegrensninger. Og som samtidig er svært følsom for måling av hydrogen og alle andre lette gasser, som f.eks. naturgass.

– Du kan se på det som en kombinasjon av høyttaler og mikrofon i ett. Bare at den sitter montert inne i et rør, forklarer Martin Nese. Han er daglig leder i Cignus Instruments.

Fikk patentet med seg da kontoret stengte

De er en voksen gjeng ingeniører som hadde samarbeidet lenge før de startet opp selv. Det var en omstrukturering som ga dem inspirasjonen til å starte noe nytt, og som ble til Cignus Instruments.

Her viser Torquil Sørensen, seniorteknolog med ansvar for simuleringer, og CEO Martin Nese fram effekten av nyvinningen. Foto: Cignus Instruments. VIS MER

– Vi hadde jobbet med instrumentering i oljebransjen i rundt 20 år, hos General Electric og Baker Hughes, forteller Nese.

Du kan se på det som en kombinasjon av høyttaler og mikrofon i ett. Bare at den sitter montert inne i et rør.

– Da kontoret i Oslo ble lagt ned i 2020, visste vi at vi ville ta det videre selv, og gikk sammen om å videreutvikle en teknologi og et patent vi allerede hadde jobbet lenge med.

Teknologien kan sees på som en fancy “vannmåler” med spesielle fortrinn for måling av gass i rør med store dimensjoner og høye operasjonstrykk. Men denne måler masse, dvs antall molekyler, og ikke volum.

– Disse gassene skal jo avgi energi senere, og da er det antall molekyler som teller. Spørsmålet vi måtte finne ut av er hvor mange molekyler som strømmer gjennom røret, men uten å bruke det eksisterende designet for målere, sier gründer Martin Nese.

Se for deg at tusenvis av folk skal inn på en festival. Før de får sjekket billett, og ransaket sekken, blir de adskilt i lange sluser, ofte med et metallgjerde mellom. Så møter de vakta og blir registrert.

På tilsvarende måte blir hydrogenmolekylene sluset gjennom en kryssformet struktur inni røret. Her er ingen vekter, men vibrasjonene som oppstår når de strømmer forbi kan brukes til å “telle” molekylene.

Som AutoPass for hydrogenmolekyler

Den nye fiffige løsningen deler røret i fire kanaler. Og krysset kan settes inn i et rør av hvilken som helst størrelse og tykkelse.

Det er som å gå fra bomstasjoner der du må kjøre bilen ut på siden av veien for å betale manuelt, til å kunne følge veien og bare bli registrert uten å tenke mer på det.

Teknologidirektør Bjørn Erik Seeberg med en prototype av sensoren i hånden.  Den har blitt til ved hjelp av kreative hoder og dyktige forskere. Foto: VIS MER

Den nye måleren fungerer etter samme fysiske prinsipp som coriolismålere, forklarer Martin Nese. Altså at den baseres på vibrasjon i veggstrukturen, men den er innrettet sånn at det ikke er nødvendig med samme trykktap som dagens målere krever. Den er derfor egnet for store dimensjoner og høye trykk. Ideen var god, men gjennomføringen krevde en omvei.

– Sånne ting kan ikke bare bygges uten å finberegnes først!

Dermed kontaktet Cignus energiforskerne i SINTEF.

– SINTEF har jobbet med fluidtransport siden Ekofisk, sier gründeren. Det var erfaring vi i Cignus kunne dra nytte av. En tung kompetansebase som nå kan føres videre inn i Cignus og andre oppstartsbedrifter som oss.

Dessuten ønsket Cignius hjelp til å simulere hvordan løsningen fungerte i praksis:

– Simuleringsmodeller er et viktig designverktøy for oss, utdyper han. Det gjør at vi kan teste ut forskjellige løsninger til ulikt bruk på en datamaskin, før vi starter arbeidet med å lage den fysiske versjonen av et produkt.

Digitalt design av dingsens detaljer

Hos SINTEF var det Eirik Holm Fyhn og Svend Tollak Munkejord som fikk jobben med simuleringene. Nå har de testet og finjustert løsningen virtuelt, og kan lene seg på både tiår med oppsamlet kunnskap og nye avanserte simuleringsmetoder.

Målet har vært å finne det optimale designet for måleren som skal være inni røret, lenge før noen sveiser en skrue. Det sparer enorme summer i feilforsøk.

– Det vi ser er at denne måleren kan brukes for presis måling av hvor mye hydrogen som passerer, forteller Fyhn. I tillegg har vi simulert hva som skjer når måleren settes inn i et rør i nærheten av en sving, eksempelvis en nitti graders bøy på røret.

SINTEF-forskeren forklarer at dette er et komplisert samspill mellom fluid og struktur som gjør at en bøy på røret kan påvirke detaljer rundt hvordan de små vibrasjonene blir. Ved å forstå hvordan geometri påvirker oppførselen kan Cignus finne ut hvilke retningslinjer de bør gi for installasjon av massestrømsmåleren, og hvordan det eventuelt påvirker kalibreringen av den.

Slik ser røret med sensoren ut i laben hos SINTEF.  Den kan måle energitettheten i hydrogengass – molekyl for molekyl. Foto: SINTEF VIS MER

– Kort fortalt så har vi vist at måleren fungerer godt selv om det skulle være en sving rett oppstrøms for måleren, sier Fyhn.

Det betyr at de som planlegger rørsystemer på havbunnen slipper å legge opp rørgeometrien etter plassering av målere.

Men fortsatt er prosjektet under utvikling. Og før en slik måler skal kunne bli gullstandarden for målere må den selv bli målt, verifisert og sertifisert.

– Målet for året er å få sertifisert en måler for hydrogen, forteller daglig leder Martin Nese i Cignus.

Hvor mye produseres – egentlig?

Et sentralt bruksområde er å måle hvor mye som produseres i en elektrolysør – både for å verifisere selve produksjonsprosessen og for å dokumentere mengden hydrogen som leveres. Men før prosessen kan verifiseres, må måleren selv være verifisert.

Det neste steget blir å tilpasse målere for rørtransport. Tyskland har mange hydrogenprodusenter, og det vil bli behov for å måle på alle inn- og utpunkter i rørnettverket for å sikre nøyaktig oppgjør og kontroll.
– Vi tror jo dette vil bidra til å gjøre hydrogenøkonomien mer effektiv, og at det vil være avgjørende for regnskap og bunnlinje i en grønn økonomi, avslutter Nese.