要約
- 再生可能エネルギーの拡大：風力・水力・太陽光はエネルギー転換の中核です。化石燃料への依存を減らし、脱炭素化を推進することで、需要の拡大に応えつつ気候を守る持続可能なエネルギーシステムの基盤となります。
- 橋渡しとしてのガス：再生可能エネルギーが急速に拡大する一方で、今後数年間は天然ガスが、信頼性が高く手頃なエネルギー供給を確保するうえで重要な役割を担います。よりクリーンな代替技術が普及するまでの安定を支える「ブリッジ技術」です。
- 水素と蓄電：再生可能エネルギーの天候依存性や季節的な需要変動に対応するため、新たな解決策が必要です。水素は多用途なエネルギー源として台頭しており、余剰エネルギーを蓄え安定性を確保する先進的な蓄電技術とともに、CO₂ニュートラルな供給の実現に近づけます。
ガスネットワークにおける水素
再生可能エネルギーからの水素製造と、既存のガスネットワークへの水素の供給は、CO₂ニュートラルなエネルギー供給を実現するうえで重要な役割を果たします。水素は再生可能エネルギーが豊富な地域で製造でき、既存のガスネットワークを通じて追加的なエネルギーキャリアとして貯蔵・輸送し、需要家に届けることが可能です。既存の天然ガス配管網では、最大30vol.%まで水素を貯蔵・輸送できます。
純水素向けのネットワークは、当初は地域ごとに整備され、その後段階的に拡大・接続されて、最終的にはより大規模なネットワークへと発展します。欧州全域の水素輸送ネットワークについては、2040年までに最大約4万kmが構築されると予測されています。
ガス流量測定への影響
水素を混合した天然ガスの流量を、信頼性高く安定して計測する重要性が高まっています。ガス組成の変化は、各種計量技術に新たな課題をもたらします。水素の添加により、ガスの密度、粘度、爆発性、流速、音速などの物性が変化するためです。これにより、配管、圧縮機、シール、バルブ、計測機器などにおいて、漏えいや爆発リスク、発熱量算定といった点で新たな課題が生じます。そのため、ガスネットワーク事業者やガス供給事業者は、ガス流量計の性能への影響を懸念しています。
超音波流量計は、この20年間で天然ガスおよびプロセスガス分野において、信頼性、耐久性、計測精度の面で新たな標準を確立してきました。天然ガスに少量の水素を混合するだけでも、混合ガスの音速（SOS）は大きく増加します。体積比100％の水素では、音速は天然ガスのおよそ3倍になります。図1のグラフは、天然ガス、30vol.%の水素混合ガス、純水素における音速を示しています。
図1：代表的な天然ガス（メタン含有率90vol%）および最大100vol%までの水素混合時における音速
これはUSM（超音波流量計）の設計に、いくつかの要件を課すことになります。天然ガスと同等の計測レンジおよび、要求される計測不確かさの確保が必要です。そのためには、測定値のばらつきの低減、圧力・温度・媒体変動に対する交差感度の低減、ならびに流体力学的影響の低減が求められます。
天然ガスに最大30vol%まで水素を混合した場合には、これらの影響を補正することが可能です。
図2：FLOWSIC機器の適用例
超音波流量計測：将来要件にも対応
将来の水素混合ガスおよび純水素の取引計量（カストディトランスファー）においても、特に計測精度の面で、天然ガス計測と同等の仕様・要件が求められます。そのため、超音波式ガス流量計（USM）は新たな計測対象に適応する必要があります。
水素専用の輸送配管は、基本的に天然ガス配管と大きくは変わりません。要求事項も現在の天然ガス用メーターと同様です。ただし、エネルギー等価の輸送能力を確保するためには、より大きな口径、またはより高い流速が必要となります。そのため、水素向けに設計されたUSMには、より高い最大ガス流速への対応が求められます。
USMはこれらすべての要件を高いレベルで満たすことができるため、水素混合ガスおよび純水素の将来の輸送・配給ネットワークにおける取引計量に最適です。
USMによる流量計測の主な特長：
- 幅広い口径範囲（DN50～DN1400）
- 広い測定レンジ（≥ 1:100）
- 流路を妨げず、圧力損失なし
- 機械的可動部なし、脈動なし
- 水素における高流速対応
- 他媒体への校正結果の転用が可能
またUSMは、水素含有率による分類に加え、プロセスガス用途、輸送ネットワーク用途、配給ネットワーク用途別に分類することも可能です。
ガス品質インジケータ（GQI）：水素含有量の測定
主な計測値と高い計測精度に加え、超音波式ガス流量計（USM）にはさらなる利点があります。USMに「ガス品質インジケータ（GQI）」を実装することで、音速（SOS）の値からガス組成の変化を検知できます。水素は音速が非常に高いため、水素含有率のわずかな変化でも高精度に検出可能です。基準となるガス組成、または水素を含まない状態の音速（SOS）が既知であれば、水素含有率を高精度に算出することもできます。装置は測定されたSOSと基準SOSを比較し、その差が水素混合によるもののみであると仮定して、水素含有率を直接算出します。この近似計算は、USMのファームウェアに実装された経験式により行われます。
100％水素の取引計量（カストディトランスファー）に対応
最先端の水素用トランスデューサ（高音速対応）、1,000kHzで動作する全く新しい電子回路、そして再設計された生産管理・試験プロセス。長年にわたる取引計量の経験を基に、Endress+Hauserは、DN50～DN400の全サイズに対応し、MID認証を取得した取引計量用水素ガス向けの最新鋭超音波流量計 FLOWSIC610 を提供します（計量精度クラス1）。
超音波流量計の診断オプションにより、ガスの定量的測定だけでなく、定性的測定も可能になります。したがって、超音波流量計は水素の補足的な分析手段を提供します。このため、一部のアプリケーションでは、抽出ガスクロマトグラフィなどの高価な水素測定用分析技術の代替として活用できます。
FLOWSIC610は、標準化されたデータ通信インターフェースに加え、専用の立ち上げ・サービス用インターフェースを装備しています。Bluetooth®対応アダプタを使用することで、Bluetooth®対応端末と最大30mの無線接続が可能で、追加の専用アダプタは不要です。さらに、USB‑Cインターフェースを備えた有線アダプタも利用可能です。
まとめ
超音波式ガス流量計は、20年以上にわたり、幅広い用途でガス量計測に成功裏に使用されてきました。これには、水素含有率の異なるガスの計測も含まれます。これらの用途で使用されている機器や、FLOWSIC製品ファミリーの他の機種は、すでに体積比最大30％までの水素を含む天然ガスの取引計量（フィスカルメータリング）に対応するよう適合・認証されています。ガスネットワーク事業者は、新たなガス流量計への追加投資を行うことなく、再生可能エネルギー由来の水素を既存のガスネットワークに注入し、水素の輸送・貯蔵を進めるというトレンドに対応することが可能です。
USMの診断機能により、定量的な流量計測だけでなく、ガスの定性的な評価も可能となります。そのため、本機器は水素に対する補完的な分析手法を提供します。用途によっては、抽出型ガスクロマトグラフィーなど、水素測定のための高コストな分析技術を置き換えることも可能です。
すでに設置されている機器については、最大30％の水素注入による影響を評価するため、機器状態の点検を推奨します。あわせて、経年劣化、設置条件、圧力調整器の影響についても確認が必要です。これらの評価については、Endress+Hauserのサービス部門がサポートします。
