Wasserstoff-Durchflussmessung: Herausforderungen und Ultraschalllösungen

Die Durchflussmessung von Wasserstoff ist aufgrund zweier physikalischer Eigenschaften schwieriger als die Messung von Erdgas. Wasserstoff überträgt Schall bei 20 °C und 0,101325 MPa mit 1.304,7 m/s – etwa 2,9-mal schneller als Methan. Unter denselben Bedingungen ist seine Dichte außerdem etwa 8-mal geringer als die von Methan (NIST Chemistry WebBook, abgerufen 2026; Verhältnisse aus NIST-Daten berechnet). Die erste Eigenschaft verkürzt die Zeit, die ein Schallimpuls im Gas verbringt. Die zweite schwächt den Impuls, der den Empfänger erreicht.

Ultraschall-Differenzlaufzeitmessgeräte können Wasserstoff messen, wenn Wandler, Zeitmesselektronik und Strömungspfad auf diese beiden Eigenschaften ausgelegt sind. Die Differenzlaufzeit ist der Unterschied zwischen der Zeit, die ein Schallimpuls in Strömungsrichtung und entgegen der Strömung benötigt; sie skaliert mit der Gasgeschwindigkeit. Dieser Artikel konzentriert sich auf OEM-Systeme: PEM-Elektrolyseure und PEM-Brennstoffzellen bei 1 bis 20 bar mit feuchtem und gemischtem Gas. Pipeline-, Beimischungs- und Betankungsmessungen sind andere Aufgaben und werden nur als Kontext behandelt.

Warum ist die Durchflussmessung von Wasserstoff schwieriger als die von Erdgas?

Der Wechsel von Erdgas oder Luft zu Wasserstoff verändert, was ein Ultraschallmessgerät erfassen muss. Die nachstehenden NIST-Werte zeigen, in welchem Umfang.

Quelle: NIST Chemistry WebBook. Die Impedanz wurde als Produkt aus Dichte und Schallgeschwindigkeit berechnet.

Wie die Schallgeschwindigkeit von Wasserstoff die Laufzeiten verkürzt

Bei 20 °C überträgt Wasserstoff Schall bei Atmosphärendruck mit 1.304,7 m/s, bei 10,1 MPa mit 1.391,5 m/s und bei 70,1 MPa mit 1.910,3 m/s (NIST-Isothermendaten). Ein Impuls durchläuft denselben Pfad etwa 2,9-mal schneller als in Methan.

Beim Differenzlaufzeitprinzip ermittelt das Messgerät die Gasgeschwindigkeit aus dem Unterschied zwischen der Laufzeit in und entgegen der Strömungsrichtung. Eine kürzere Laufzeit bedeutet eine kleinere Zeitdifferenz für jede Geschwindigkeitseinheit. Daher benötigt die Zeitmesselektronik eine höhere Auflösung, und das Empfangsfenster muss früher geöffnet werden, um den Impuls zu erfassen.

Warum die geringe Dichte das Ultraschallsignal in Wasserstoff schwächt

Wasserstoff hat bei 20 °C eine Dichte von 0,083752 kg/m3, verglichen mit 0,66816 kg/m3 für Methan und 1,1648 kg/m3 für Stickstoff. Die akustische Impedanz entspricht dem Produkt aus Dichte und Schallgeschwindigkeit; sie bestimmt, wie viel Schallenergie von einem Wandler in das Gas übertragen wird. Für Wasserstoff beträgt sie etwa 109 Rayl, verglichen mit etwa 297 für Methan und etwa 407 für Stickstoff (aus NIST-Daten berechnet).

Wandler müssen ein Material mit hoher Impedanz und ein Gas mit niedriger Impedanz miteinander verbinden, wie Gani, O'Leary und Galbraith (IEEE Sensors Journal, 2026) beschreiben. In Wasserstoff ist der Unterschied größer, wodurch weniger Energie in das Gas gelangt und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR: Stärke des empfangenen Impulses im Vergleich zum elektrischen und akustischen Hintergrundrauschen) sinkt. Das schwache Signal entsteht somit bereits an der Wandler-Schnittstelle, wodurch die Wandlerauslegung zum ersten Ansatzpunkt wird.

Die Temperatur muss nahe am akustischen Pfad gemessen werden. Die Schallgeschwindigkeit von Wasserstoff steigt zwischen 0 und 100 °C um etwa 2,07 m/s pro K, verglichen mit etwa 0,65 m/s pro K bei Methan (beides aus NIST-Daten berechnet). Derselbe Temperaturfehler verändert die Schallgeschwindigkeit in Wasserstoff etwa dreimal stärker, und jeder aus dieser Schallgeschwindigkeit berechnete Durchfluss- oder Zusammensetzungswert weist denselben Fehler auf.

Wasserstoff-Durchflussmessung in PEM-Elektrolyseuren und Brennstoffzellen

Wasserstoffströme in OEM-Systemen sind feucht und ändern während des Betriebs ihre Zusammensetzung. Daher misst ein für trockenen, reinen Wasserstoff kalibriertes Messgerät ein anderes Gas als das im Kreislauf. Der Druck liegt typischerweise zwischen 1 und 20 bar, wodurch die Dichte weiter sinkt.

Feuchter Wasserstoff am Ausgang des PEM-Elektrolyseurs

Wasser (18,0153 g/mol) ist laut NIST etwa 9-mal schwerer als Wasserstoff (2,01588 g/mol). Bereits wenige Prozent Wasserdampf am Ausgang eines Elektrolyseurs verändern daher die Molmasse und die Schallgeschwindigkeit des Gemischs deutlich: 5 mol% Wasser erhöhen die Molmasse um etwa 40 % (berechnet, ideale Mischung). In der alkalischen Elektrolyse arbeiten Ultraschallmessgeräte auch auf der Flüssigkeitsseite, wo sie die KOH-Elektrolytkonzentration überwachen und gleichzeitig den Durchfluss messen.

H2/N2/H2O-Gemische in der Anodenrezirkulation von Brennstoffzellen

Die Anodenrezirkulation ist der Kreislauf in einer PEM-Brennstoffzelle, der nicht verbrauchten Wasserstoff sowie Stickstoff und Wasserdampf vom Stack-Ausgang zum Eingang zurückführt. Das rezirkulierte Medium wird mit schwererem Stickstoff angereichert, wodurch sich die Eigenschaften des Gemischs ändern. In einem Modell zur Anodenrezirkulation beginnt eine Spülung, wenn das Wasserstoff-Stickstoff-Verhältnis volumetrisch unter 80:20 fällt. Die spezifische Wärmekapazität des Gemischs sinkt von etwa 9.000 auf etwa 4.000 J/(kg·K), wenn sich Stickstoff und Wasserdampf ansammeln (Nachtigal et al., ETC 2023).

Eine Durchflussanzeige, die von reinem Wasserstoff ausgeht, driftet, wenn sich Stickstoff ansammelt. Die Überwachung der Zusammensetzung im Kreislauf mittels Schallgeschwindigkeitsmessung der Zusammensetzung (Ermittlung des Gasgemischs anhand seiner Schallgeschwindigkeit) hält Volumen- und Massenmesswerte gültig und zeigt den richtigen Zeitpunkt für eine Spülung an.

Niedriger Druck, geringer Durchfluss und Transienten in OEM-Systemen

Niedriger Druck verringert die Dichte und schwächt die Kopplung zusätzlich. Clamp-on-Messgeräte benötigen einen Mindestfluiddruck, der etwa dreimal höher ist als bei Erdgas (Hoheisel und Schwede, GFMW 2024). Niederdruckkreisläufe erfordern daher eine für Wasserstoff ausgelegte Inline-Geometrie.

Beim Start, bei Lastsprüngen und bei Spülungen treten schnelle Änderungen des Durchflusses und der Zusammensetzung auf, sodass die Ansprechzeit entscheidend ist. Der Messbereich, also das Verhältnis zwischen dem höchsten und niedrigsten Durchfluss, den ein Messgerät innerhalb seiner angegebenen Genauigkeit messen kann, entscheidet darüber, ob ein Gerät sowohl Leerlauf als auch Volllast abdeckt. Elektrolyseanlagen im Labormaßstab und Prüfstände stellen zusätzlich hohe Anforderungen an den niedrigsten messbaren Durchfluss.

Welche Faktoren beeinflussen die Genauigkeit der Wasserstoff-Durchflussmessung?

Neben der Akustik bestimmen vier Faktoren das Fehlerbudget einer Wasserstoff-Durchflussmessung: die Gaszusammensetzung, die Ausgabe als Masse oder Volumen, der Kalibrierweg sowie die Kompensation von Druck und Temperatur.

Einige Ultraschallmodelle benötigen laut einer Studie von TÜV SÜD NEL, VSL und DNV (Chinello et al., 2025) eine Korrektur des Einflusses der Gaszusammensetzung. Bei Tests an Niederdruck-Gaszählern für reinen Wasserstoff beeinflusste eine Stickstoffverunreinigung von 2 % den Ultraschall-Volumenstrom (Mussard et al., Hydrogen, 2026).

Wählen Sie die Ausgabe als Masse oder Volumen bewusst. Der Volumenstrom ist das Volumen pro Zeit unter Leitungsbedingungen. Der Massenstrom wird in Kilogramm pro Zeit angegeben und erfordert die Dichte, die von Druck, Temperatur und Zusammensetzung abhängt. Das Normvolumen rechnet den Messwert auf einen festen Referenzdruck und eine feste Referenztemperatur um, sodass Werte vergleichbar sind.

Zum Vergleich: OIML R 139 legt für Wasserstoffabgabesysteme die Genauigkeitsklassen 2 und 4 fest, mit einem maximal zulässigen Fehler von 1,5 % für ein Messgerät der Klasse 2. Betankungs- und eichpflichtige Übergabemessungen sind jedoch eigenständige Messaufgaben.

Kalibrierung von Wasserstoff-Durchflussmessgeräten mit Ersatzgasen

Der MetroHyVe 2 Good Practice Guide (2023) stellt fest, dass keine rückführbaren Durchflusskalibriereinrichtungen mit Wasserstoff bei realistischen Drücken bis 700 bar und Temperaturen von -40 bis 50 °C arbeiten. Die meisten Messgeräte werden daher mit Luft, Stickstoff, Wasser oder Helium kalibriert. In demselben Leitfaden ergaben Kalibrierungen mit Luft und Stickstoff bei niedrigen Durchflüssen erweiterte Unsicherheiten von 0,67 % bis 0,77 %, mit Wasser von 0,16 % bis 0,42 %. Eine nach ISO 17025 akkreditierte Wasserstoffkalibrierung ist selten.

Die Anpassung der Reynolds-Zahl – des dimensionslosen Verhältnisses von Trägheits- zu Zähigkeitskräften, das das Strömungsprofil beschreibt – ermöglicht die Übertragung einer Kalibrierung von einem Gas auf ein anderes. Bei ähnlichen Reynolds-Zahlen strömt Wasserstoff jedoch etwa 7-mal schneller als Erdgas (Krajcin, Chudoba und Laan, GFMW 2022). Cavuoto et al. (Int. J. Hydrogen Energy, 2025) verwenden Helium als Referenzfluid, da dessen Schallgeschwindigkeit näher an der von wasserstoffreichem Gas liegt. Dabei wurde eine erweiterte Unsicherheit von 0,09 % (k=2) erreicht.

Werkstoffe, Wasserstoffversprödung und ATEX-Anforderungen für Wasserstoff-Durchflussmessgeräte

Wasserstoffversprödung ist der Verlust an Duktilität bei bestimmten Metallen, wenn Wasserstoffatome in das Material eindringen. Unter Spannung kann dies zu Rissbildung führen. Sandia National Laboratories berichtet, dass 316-Edelstahl widerstandsfähiger gegen wasserstoffunterstützten Bruch ist als die meisten anderen austenitischen rostfreien Stähle. Dieselbe Referenz weist darauf hin, dass der Widerstand mit steigendem Nickelgehalt zunimmt und die Versprödung nahe 200 K am stärksten ist. 

Wasserstoff ist außerdem ein kleines Molekül, das permeiert und austritt. Daher müssen neben dem Messgerätekörper auch Dichtungen und Sensormembranen überprüft werden. Wasserstoff ist ein Gas der Gruppe IIC. Elektronik in explosionsgefährdeten Bereichen benötigt daher eine passende ATEX- oder IECEx-Zertifizierung für diese Gruppe und Zone.

Können Ultraschall-Durchflussmessgeräte Wasserstoff messen?

Ultraschall-Differenzlaufzeitmessgeräte messen reinen Wasserstoff und Wasserstoffgemische, wenn Wandlerimpedanz, Frequenz, Zeitmesselektronik und Strömungspfad auf die Schallgeschwindigkeit und Dichte von Wasserstoff ausgelegt sind. Jede der folgenden Konstruktionsänderungen adressiert ein spezifisches Wasserstoffproblem – vom schwachen Signal bis zur Temperaturempfindlichkeit:

-        Schwaches Signal: Wandler mit Anpassungsschichten niedriger Impedanz erhöhen die Energie, die in das Gas gelangt (Gani et al., 2026).

-        Übersprechen: Schall, der sich durch den Messgerätekörper oder die Rohrwand ausbreitet und den Empfänger vor dem Impuls durch das Gas erreicht, wird mit Filtern und Frequenzeinstellungen behandelt (Krajcin, Chudoba und Laan, GFMW 2022).

-        Kurze Laufzeiten: Schnelle Zeitmesselektronik und früh öffnende Empfangsfenster erfassen den Impuls.

-        Niedriger Druck: Eine für niedrigen Druck ausgelegte Strömungspfadgeometrie hält das Signal nutzbar.

-        Temperaturempfindlichkeit: Die Temperatur wird nahe am akustischen Pfad gemessen.

Das Verfahren hat keine beweglichen Teile und verursacht in einer geraden Bohrung einen vernachlässigbaren Druckverlust. Dies ist bei Elektrolyseuren wichtig, da ein Druckverlust nur mit hohem Aufwand wieder ausgeglichen werden kann.

Wie misst man die Wasserstoffkonzentration in einem Gasgemisch?

Die Schallgeschwindigkeit hängt über c = √(γRT/M) von der Molmasse ab. Dabei ist γ das Verhältnis der Wärmekapazitäten, R die Gaskonstante, T die Temperatur und M die Molmasse. Eine gemessene Schallgeschwindigkeit zusammen mit der Temperatur gibt das Mischungsverhältnis eines bekannten Zweigasgemischs an. Mikrobearbeitete Ultraschallwandler konnten Änderungen von weniger als 2 mol% Wasserstoff in Erdgasgemischen unterscheiden (Monsalve et al., 2024). Für das Dreikomponentengas H2/N2/H2O in einem Brennstoffzellenkreislauf bestimmt eine separate Feuchtemessung den Wasseranteil; die Schallgeschwindigkeit liefert anschließend das H2/N2-Verhältnis.

Grenzen der Ultraschall-Durchflussmessung in Wasserstoff

Die Ultraschallmessung in Wasserstoff hat fünf genannte Grenzen:

-        Einfluss der Zusammensetzung: Einige Ultraschallmodelle benötigen eine Korrektur des Einflusses der Gaszusammensetzung (Chinello et al., 2025).

-        Für Erdgas ausgelegte Messgeräte: Beim ersten europäischen Vergleichstest mit bis zu 20 % Wasserstoff zeigte ein für Erdgas entwickeltes Ultraschallmessgerät eine begrenzte Reproduzierbarkeit mit einer Standardunsicherheit von 0,50 % (Mussard et al., 2026).

-        Übertragung der Kalibrierung: Die Kalibrierung mit Luft, Stickstoff, Wasser oder Helium führt zu zusätzlicher Unsicherheit, da keine rückführbare Durchflusskalibriereinrichtung mit Wasserstoff bei realistischen Drücken und Temperaturen arbeitet (MetroHyVe 2, 2023).

-        Ergebnisse im Feld: Ein Clamp-on-Messgerät zeigte gegenüber einem Inline-Ultraschallmessgerät bei DN250 einen um etwa 1,5 % zu hohen Wert und wich bei DN400 im Durchschnitt um etwa 1 % von drei Coriolis-Messgeräten ab (Hoheisel und Schwede, GFMW 2024).

-        Zusammensetzungsbereich: Die Schallgeschwindigkeit liefert das Mischungsverhältnis nur dann, wenn das Gas ein bekanntes Zweigasgemisch ist.

Welches Durchflussmessgerät ist für Wasserstoffgas am besten geeignet?

Kein einzelner Messgerätetyp eignet sich für jede Wasserstoffanwendung. Coriolis-Messgeräte messen die Masse direkt und sind die Standardlösung für Betankungsanwendungen, während Niederdruck-OEM-Kreisläufe häufig andere Bauarten benötigen. Die Tabelle vergleicht die wichtigsten Typen für Wasserstoff.

Die richtige Wahl hängt vom Druck, der Zusammensetzung, dem benötigten Massen- oder Volumenstrom und dem Kalibriermedium ab.

Allengra Hydrogen Flow Meter für H2/N2/H2O-Gemische

Das Allengra Hydrogen Flow Meter ist ein Ultraschallmessgerät für den feuchten, in seiner Zusammensetzung variablen Niederdruck-Wasserstoff, der in PEM-Elektrolyseuren und Brennstoffzellenkreisläufen vorkommt. Ein Gerät misst Volumenstrom, Massenstrom, Feuchtigkeit, Temperatur, Druck sowie die H2/N2/H2O-Zusammensetzung. Vorgesehene Anwendungen sind die Anodenrezirkulation von PEM-Brennstoffzellen, Elektrolyseure, die Überwachung von Brennstoffzellen-Stacks und Prüfstände.

Jede Spezifikation adressiert ein Problem der Wasserstoffmessung in OEM-Systemen:

-        Feuchtigkeit und Zusammensetzung: Der Feuchtewert ermöglicht es dem Messgerät, den Wasserdampfanteil vom Stickstoffanteil im H2/N2/H2O-Gas zu trennen.

-        Druckbereich: 0,8 bar(a) am unteren Ende deckt die Niederdruckkreisläufe ab, in denen die Dichte am geringsten ist.

-        Ansprechzeit: Start, Lastsprünge und Spülungen führen zu schnellen Änderungen, denen eine Ansprechzeit von unter 0,5 s folgen soll.

-        Ausgänge und Schnittstellen: Massen- und Volumenstrom sind verfügbar, mit CAN-Bus und Modbus für das Steuerungssystem.

Varianten, Zeichnungen und das Datenblatt finden Sie auf der Allengra-Produktseite für dieses Messgerät, über die auch Angebotsanfragen gestellt werden können. Auf der Kathodenluftseite misst das Allengra-Messgerät für die Ansaugluft von Brennstoffzellen feuchte Luft nach demselben Ultraschallverfahren.

Wasserstoff-Durchflussmessung in der Praxis: Interview mit der Allengra-F&E

Um zu sehen, wie sich diese Effekte in realen Systemen zeigen, haben wir Cristian Berindea, F&E-Ingenieur bei Allengra, vier Fragen zur praktischen Wasserstoffmessung gestellt.

1. Welchen Herausforderungen stehen Sie bei der Messung von Wasserstoff gegenüber?

Die wichtigsten Herausforderungen betreffen den Umgang mit dem Gas selbst. Da Wasserstoff in Flaschen unter hohem Druck (über 250 bar) gespeichert wird, müssen die Flaschen gesichert und mit großer Sorgfalt gehandhabt werden, wenn sie an den Prüfstand angeschlossen werden.

Wasserstoff ist außerdem ein hochentzündliches Gas. Daher müssen wir umfangreiche Sicherheitsmaßnahmen treffen, damit Tests und Kalibrierungen unter geeigneten und sicheren Bedingungen durchgeführt werden können.

Bei der Integration von Wasserstoff in einen Prüfstand stellt seine geringe Dichte – etwa 14-mal geringer als die von Luft – eine weitere Herausforderung dar, da dadurch die Abdichtung des Systems besonders schwierig wird. Deshalb müssen die Sensoren an Schweißnähten und Verbindungsstellen gründlich überprüft werden, um selbst kleinste Leckagen zu verhindern, die schwerwiegende Folgen haben könnten.

2. An welchen anderen Projekten waren unsere Sensoren neben MiNaMi beteiligt (dem Projekt zur Entwicklung des ersten PEM-Brennstoffzellensystems im Megawattbereich für die Schifffahrt in Europa)?

Die große Mehrheit der Projekte, an denen wir durch Kooperationen mit verschiedenen Unternehmen beteiligt sind, konzentriert sich auf die Entwicklung und Verbesserung von Brennstoffzellen.

Ein gutes Beispiel ist der Einsatz unserer Sensoren in der Luft- und Raumfahrtindustrie, mit Partnern wie ZeroAvia, MTU, H2Fly und DLR. Diese Projekte konzentrieren sich auf die Entwicklung von Brennstoffzellen für den Flugzeugantrieb und umfassen hauptsächlich Prototypen und Versuchsflugzeuge. Langfristiges Ziel ist die vollständige Vermeidung von CO₂-Emissionen.

3. Sind Ultraschallsensoren die beste Option für Wasserstoff? Wenn ja, warum?

Generell gelten Ultraschallsensoren als eine der besten Optionen für die Wasserstoff-Durchflussmessung.

Genauer gesagt bieten die Ultraschallsensoren von Allengra eine Lösung zur Durchflussmessung mit minimalem Druckverlust im System, da keine mechanischen Komponenten den Durchfluss behindern.

Allengra-Sensoren können außerdem die Zusammensetzung der gemessenen Gase bestimmen. Dadurch lassen sich sowohl das im System vorhandene Gasgemisch als auch die relative Feuchte des Gases erkennen.

Ultraschallsensoren sind zudem eine skalierbare Lösung, da sie problemlos an unterschiedliche Durchflussraten und Rohrdurchmesser angepasst werden können.

4. Wo muss der Wasserstoffdurchfluss gemessen werden? Welche Anwendungen gibt es?

Unsere Durchflussmessgeräte werden im Allgemeinen in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren eingesetzt.

In Brennstoffzellenanwendungen kommen sie am häufigsten im Anodenrezirkulationskreislauf zum Einsatz. Dort wird der Durchfluss des nicht verbrauchten Wasserstoffs gemessen, bevor er rezirkuliert und wiederverwendet wird, um die Systemeffizienz zu maximieren.

In diesem Fall können auch die Wasserstoffreinheit, die Gaszusammensetzung und die Feuchtigkeit gemessen werden. Diese Informationen helfen zu bestimmen, wie effizient das System arbeitet, einschließlich der Frage, wie wirksam es den im System vorhandenen Wasserdampf abtrennt und verwaltet.

Beispiele für Anwendungen sind:

●       Notstromversorgung für Rechenzentren und Krankenhäuser: Brennstoffzellensysteme von Ceres Power liefern eine zuverlässige und kontinuierliche Stromversorgung, ohne vom lokalen Stromnetz abhängig zu sein.

●       Wasserstoffelektrolyse: Messung der Durchflussrate und der Menge des durch Wasserelektrolyse erzeugten Wasserstoffs.

●       Stromerzeugung mit Brennstoffzellen: für industrielle Anwendungen in abgelegenen Gebieten ohne zuverlässigen Zugang zu Elektrizität, im Allgemeinen für die Produktion im kleinen bis mittleren Maßstab und für Bergbauanwendungen. In einigen Fällen werden Brennstoffzellen als Nebenprodukt der Stromerzeugung auch zum Heizen eingesetzt. Dadurch steigt die Gesamteffizienz des Systems, weil die thermische Energie genutzt und nicht verschwendet wird.

●       Verkehrsindustrie: Wasserstoff-Brennstoffzellensysteme werden zwar noch nicht in großem Maßstab eingesetzt, finden aber bereits Anwendung in Bussen, Lastkraftwagen und Pkw.

Best Practices für die Wasserstoff-Durchflussmessung: OEM-Spezifikations-Checkliste

Verwenden Sie diese Checkliste bei einer Datenblattanfrage oder einer Designprüfung.

Um ein bestimmtes System zu besprechen, fordern Sie ein Angebot von Allengra an und fügen Sie die ausgefüllte Checkliste bei.