Sur la voie d'une mobilité plus respectueuse du climat, l'hydrogène gagne en importance en tant que nouveau carburant. Cependant, le ravitaillement en hydrogène est plus complexe que celui de l'essence et du diesel. Contrairement à d'autres gaz, l'hydrogène se réchauffe en se dilatant, ce qui entraîne des changements de pression et de température pendant le ravitaillement, qu'il faut surveiller avec précision. C'est pourquoi Heinrichs Messtechnik GmbH, filiale du groupe Kobold a développé le débitmètre massique TMU-W 004, qui assure un dosage précis malgré les variations de pression et de température. Cet appareil est le premier de ce type à être certifié selon la norme internationale OIML R 139 2018 et donc approuvé pour les stations de remplissage d'hydrogène. Un boîtier compact et robuste protège les capteurs et les boucles de mesure qui utilisent l'effet Coriolis et permettent une mesure de débit très précise. L'électronique déportée convertit les signaux des capteurs en une lecture du débit massique, et mesure aussi la température du fluide. Le TMU-W 004, adapté aux applications haute pression jusqu'à 1000 bars, est déjà utilisé dans les stations de remplissage de la société cotée en bourse Nel Hydrogen.
L'hydrogène comme carburant gagne du terrain en Europe
« Pour les voitures particulières, le ravitaillement en hydrogène se fait généralement à 700 bar. Cette haute pression est nécessaire pour générer la densité énergétique nécessaire aux bonnes conditions de mesure », explique Guido Thometzki, PDG de Heinrichs Messtechnik GmbH. « Au cours de ce processus, la température ne doit pas dépasser +85 °C, car sinon le revêtement du réservoir peut être endommagé ». Comme le réservoir se dilate et se réchauffe pendant le remplissage, l'hydrogène est refroidi avant d'arriver au réservoir. Cet environnement à haute pression, ainsi que la petite taille de la molécule d'hydrogène, représentent des contraintes importantes pour atteindre une mesure précise de débit d'hydrogène. Partant de ce constat, Heinrichs Messtechnik GmbH a modifié son débitmètre massique à effet Coriolis déjà éprouvé pour des applications gaz haute pression, et propose désormais le TMU-W 004, version spécialement conçue pour la mesure d'hydrogène. Ce débitmètre permet de mesurer avec précision, lors du remplissage, la quantité d'hydrogène transférée au réservoir du véhicule. Cela permet de facturer précisément la quantité remplie, ce qui est une condition préalable au ravitaillement dans les stations publiques de remplissage en hydrogène. Il couvre une plage de mesure allant de 0,133 kg/min H2 à 4 kg/min H2.
Durant la phase de développement, l'utilisation d'outils d'ingénierie sophistiqués a permis de faire de nombreuses simulations sur la structure du débitmètre ainsi que sur le fluide lui-même, ce qui a conduit à des dispositions et dimensions optimales de tous les composants mécaniques et électromécaniques. En conséquence, l'appareil est devenu le premier et jusqu'à présent le seul débitmètre au monde à avoir obtenu la certification selon la norme internationale OIML R 139 2018, qui couvre les systèmes de mesure de débit d'hydrogène pour véhicules. La société norvégienne Nel Hydrogen utilise déjà avec succès le TMU-W 004 dans ses stations-service.
La disposition spéciale des capteurs donne des résultats précis
Pour que le compteur puisse s'intégrer au mieux dans les stations de distribution d'hydrogène, le débitmètre TMU W004 été conçu de manière beaucoup plus compacte que les modèles précédents. À l'intérieur du boîtier compact et résistant aux déformations se trouvent deux tubes de mesure parallèles en forme de U. « Un système d'excitation fait vibrer les tubes de mesure à leur fréquence propre. Lorsque le fluide circule dans ces tubes, l'effet Coriolis provoque un déphasage entre ces fréquences », explique Guido Thometzki. « Des capteurs placés de manière optimale au niveau des tubes de mesure détectent ce déphasage et l’envoient sous forme de signal électrique à l'électronique pour un traitement complet du signal. À partir de ces signaux, le débit massique actuel est calculé. ».
L'architecture spécifique de l'appareil - c'est-à-dire la forme des tubes de mesure et le positionnement idéal des capteurs sur les tubes - ainsi que l'harmonisation plus poussée des autres composants tels que les soufflets, en font un débitmètre particulièrement sensible et précis, malgré les parois épaisses des tubes de mesure. Cette robustesse des tubes de mesure est nécessaire pour résister à la pression élevée de 1000 bars (la pression d'essai est en fait de 1500 bars). Le boîtier robuste, entièrement soudé, afin d’obtenir une plus grande rigidité, protège largement l'équipement de mesure sensible qui s'y trouve.
Le volume réel est ensuite élaboré à partir d'une sortie impulsion de l'électronique. « L'utilisateur obtient également des informations sur la température du fluide, et éventuellement sur la densité de celui-ci. Ces données peuvent être utilisées pour contrôler le compresseur qui pompe l'hydrogène, par exemple en passant à un volume plus élevé ou, inversement, en interrompant le pompage », ajoute Guido Thometzki. L'électronique est dotée d'un afficheur LCD à deux lignes indiquant directement les valeurs choisies. Cette électronique est facile à configurer à l'aide des quatre touches en façade. Parmi les différentes fonctions disponibles, l'utilisateur peut définir les unités physiques, les grandeurs affichées, les sorties et analyser les défauts. Le transmetteur est disponible en version process (boîtier étanche rond) ou installé dans une armoire électrique en version rack. Ces deux types de boîtier sont résistants à la pression et sont certifiés “sécurité intrinsèque”, ce qui permet d'éviter les incendies ou les explosions en cas de fuite de gaz.
Les simulations et les essais de débit assurent la précision de mesure
Pour le développement, la fabrication et l'étalonnage de ses compteurs, Heinrichs Messtechnik GmbH a utilisé de nombreuses méthodes de simulation et d'optimisation afin de garantir la précision et la fiabilité de ses appareils dans toutes les conditions imaginables. « Les appareils pour la mesure de gaz à haute pression comme l'hydrogène, comme le nouveau TMU-W 004 pour les stations de remplissage d'hydrogène, ne peuvent naturellement pas faire exception », explique Mr Thometzki. « Au contraire, lors du développement du TMU-W 004 en particulier, nous avons utilisé des méthodes de simulation de dernière génération spécialement développées pour la mécanique des fluides et la conception structurelle, comme la FEM (finite element method), la CFD (computational fluid dynamics) et la FSI (fluid structure interaction) ». Ce n'est que de cette manière que le TMU-W 004 a pu répondre aux exigences apparemment contradictoires de la plus haute précision et de l'extrême fiabilité de la mesure de débits de gaz à haute pression. La précision de mesure devait également rester élevée malgré les fluctuations de pression et de température lors du remplissage. « Le fait que le TMU-W 004 ne réponde pas seulement aux exigences de la norme OIML R 139 2018, mais les dépasse largement avec sa classe de précision de 1,5 pour l'hydrogène, montre, surtout ce que l'équipe de développement du TMU-W 004 a accompli », déclare en conclusion le Dr Thomas Chatzikonstantinou, directeur technique de Heinrichs Messtechnik GmbH.
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