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The ongoing geo-political conflicts and the increasing need for the implementation of measures to improve the energetic system sustainability are increasing the importance of tanks for storing cryogenic fluids in the energy industry. The most common example of cryogenic tank applications is the transport of natural gas and hydrogen in their liquid form (LNG and LH2 respectively) for which, considering the same transport volume cryogenic storage ensures significantly higher transport capacities with respect storage based solely on overpressure.
A common feature of all cryogenic transported fluids is that their condition must be maintained minimizing heat leaks from the environment as much as possible. This is achieved by the implementation of thermal super Insulations (TSI) systems based on e. g. rock wool, perlites, microspheres, multilayer insulations (MLI), and vacuum which have proven to be effective in applications. However, due to the relatively short period of use in some applications, the small number of documented incidents, and the still few investigations carried out in the field, the exploitation of such systems in the cryogenic fluids transport sector still suffers from insufficient knowledge about the course and consequences of incidents. Accidents involving collisions, fires, and their combination are quite common in the transportation sector and may generate extraordinary loads on the tank and its insulation system, eventually leading to tank failure.
The present study focuses on the behavior of TSI systems in tanks when it is exposed to an external heat source representative of a hydrocarbon fire scenario. This may cause an increase of the heat flux into a tank by several orders of magnitude with respect to normal design conditions, thus inducing severe and in the TSI, causing the rapid release of flammable gas and even resulting in a Boiling Liquide Expanding Vapour Explosion (BLEVE).
To study such scenarios a test rig was developed at BAM that allows testing of TSI at industrial conditions and enables subsequent analysis of TSI samples. This test rig considers the typical double-walled design of tanks for cryogenic fluids with vacuum and an additional insulating material in the interspace. Adjustable electrical heating elements simulate the fire on one side of the double wall. This process allows the implementation of repeatable heat loads of up to 100 kW/m². The other side of the double wall is represented by a fluid-supported heat exchanger, which allows the simulation of cold or cryogenic conditions in the test rig, and to determine the heat flux transmitted through the double wall. Thus, the test rig allows thermal loading and performance analysis of TSI samples at the same time.
In the presentation, the results of diverse tested TSI systems will be presented and discussed. As a result of this study, the list of advantages and disadvantages for the choice of tested TSI expands. Within the test, all samples degraded as a consequence of a hydrocarbon fire-orientated thermal load. Strong differences in the behavior of the tested TSI systems over temperature, location, and time were observed. Additionally, the tested MLI insulations were significantly more resistant to their base materials. These results are relevant for the design, the definition of national and international regulations, the Risk assessment, and the development of safety concepts for cryogenic tanks.
Der Wasserstofftransport auf der Straße ist wichtig und wird wie der noch geringe Transport auf der Schiene weiter stark zunehmen. Die bisherige Effizienzsteigerungen sind über Werkstoff- und Designänderungen vom Vollstahl über umfangsumwickelte Stahl- bis zu Compositespeichern mit Kunststofflinern erfolgt.
Hinzu kam die auf Basis der BAM-GGR 022 an Vorbedingungen geknüpfte Prüffristverlängerung von 5 auf 10 Jahre. Die wiederkehrende Prüfung von großen Transporteinheiten bedeutet jedes Mal einen Stillstand von gut 8 Wochen. Entsprechend steht mit Blick auf die weitere Effizienzsteigerung die Reduktion des Prüfaufwands im Fokus.
Eine Effizienzsteigerung kann nach aktueller Rechtslage geschehen, indem die hydraulische Prüfung auf eine Gasdruckprüfung umgestellt wird. Dies könnte zukünftig mit geeigneten Arbeitsschutzmaßnahmen pneumatisch durchgeführt werden – auch ohne Rechtsänderung.
Ein deutlich größerer Schritt in Richtung Verbesserung des Aufwands- zu Nutzenverhältnis ließe sich erreichen, indem die zerstörungsfreie Prüfung nicht mehr nur als Arbeitsschutz-motiviertes, begleitendes, sondern als zentrales Prüfverfahren ausgebaut wird. Gerade wenn – wie für die Schallemissionsanalyse erwartet – eine relativ gute Abschätzung des Berstdruckes möglich ist, könnte auf die 100%-Prüfung verzichtet werden und bis zu einem kritischen Alter nur auf Stichprobenprüfung basieren, was allerdings erhebliche Rechtsänderung erfordert und auch neue Werkezuge der Informationsverwaltung.
Als Vorlage für einen praktischen Ansatz zur Rechtsänderungen inkl. Informationsverwaltung wird auf die SV 674 in Verbindung mit 6.2.3.5.3ff ADR/RID verwiesen. Dies kombiniert mit einer digitalen Lebenslaufakte, die auf der digitalen Qualitätssicherung (QI-digital) beruht, wäre ein mächtiges Werkzeug für eine Verbesserung des Aufwands- zu Nutzenverhältnis und so auch eine Lösung des mit der stark steigenden Anzahl der Transporteinheiten absehbaren Kapazitätsproblems in der wiederkehrenden Prüfung.
Dem AVK-Arbeitskreis Wasserstoff-Drucktanks werden ausgehend von Zielen und Aufgaben der BAM sowie der Fachkompetenz auf dem Gebiet der Sicherheit von Composite-Druckbehältern über die prüftechnische Ausstattung, die angewendeten und weiterentwickelten Prüf- und Untersuchungsmethoden sowie zu Beispielen von Forschungsvorhaben wie DELFIN, COLIBRI und SH2APED berichtet.
Durch Einsatz neuer Technologien im Transport von komprimiertem Wasserstoff konnte eine Verdreifachung des Nutzlastverhältnisses erreicht werden. Diese neuen Speicher auf den Transportfahrzeugen müssten aber anders auf ihre Sicherheit überprüft werden, als dies heute gefordert wird.
Mit dem Markthochlauf Wasserstoff vervielfacht sich zudem die Anzahl der Transporteinheiten. Da sich im Zuge der neuen H2-Transportfahrzeuge aber auch die Anzahl der einzelnen Speicher pro Fahrzeug etwa verzwanzigfacht hat, kommen die Kapazitäten für die erforderliche wiederkehrende Prüfung an ihre Grenzen.
Dies könnte evtl. durch eine entsprechende Erhöhung der Prüfkapazitäten gelöst werden. Da dies aber weder praktisch machbar ist noch technisch wirklich sinnvoll, müssen alternative Ansätze z.B. durch digital erfasste zerstörungsfreie Prüfkonzepte gesucht werden. Hierzu bedarf es aber einer Lebenslaufakte, die beginnend von der Definition einer Bauweise über die Baumusterprüfung, Zulassung, Herstellung, erstmalige Prüfung, Verwendung und wiederkehrenden oder begleitenden Prüfungen bis zum Verschrotten alle Daten erfassen und verwalten kann.
Eine solche Lebenslaufakte könnte auch als eine Art digitaler Produktpass (DPP) verstanden werden.
Die BAM ist zuständige Behörde in Deutschland für bestimmte Aufgaben im Gefahrgutbereich, die u. a. in § 8 der Gefahrgutverordnung Straße, Eisenbahn und Binnenschifffahrt (GGVSEB) und § 12 der Gefahrgutverordnung See (GGVSee) aufgeführt sind und hauptsächlich von den Abteilungen 2 und 3 wahrgenommen werden. So ist die BAM bspw. die in Deutschland für die Zulassung von Verpackungen und Tanks oder auch die Einstufung bestimmter gefährlicher Güter zuständige Stelle. Die BAM arbeitet des Weiteren als Kompetenzbehörde national und international in den entsprechenden Gremien mit und berät das BMDV in der Rechtsfortentwicklung der internationalen Vorschriften für den Gefahrguttransport. Dies geschieht u. a. durch die Mitarbeit im Ständigen Ausschuss Gefahrgutbeförderung (AGGB) des Gefahrgut-Verkehrs-Beirats beim BMDV und den zugehörigen Arbeitsgruppen, oder auch das Erstellen von Anträgen für Rechtsänderungen in den internationalen Vorschriften der Vereinten Nationen (UN) bzw. der Wirtschaftskommission für Europa der UN (UNECE) im Auftrag des BMDV. Die Beratung der betroffenen Wirtschaft und die Normungsarbeit sind weitere wichtige Themen. Die Expertise der BAM wird insbesondere durch Forschung im Gefahrgutbereich erhalten und weiter ausgebaut. Im Rahmen des Vortrags werden drei Forschungsbereiche vorgestellt, von denen zwei für die Energiewende von großer Bedeutung sind.
Mit der Initiative QI-Digital werden völlig neue Perspektiven für das Sicherheitsmanagement und die Qualitätssicherung technischer Anlagen erschaffen. Unsere Forschung im Kontext einer Wasserstofftankstelle zeigt, wie digitale Innovationen und Verfahren die Herausforderungen effizienter und verlässlicher Qualitätssicherung für komplexe Anlagen bewältigen können.
In diesem Vortrag werden Potentiale und Beispiele der digitalen QI für technische Anlagen demonstriert und diskutiert: Moderne Anlagenüberwachung mit digitalen Zwillingen und KI sowie Kalibriermanagement mithilfe digitaler Kalibrierscheine und elektronischem Siegel.
Dr. Mair erläutert, welcher Anwuchs an H2-Bedarf zu erwarten ist, wo er weltweit erzeugt werden könnte und in welcher Form auf grünem Wasserstoff basierende Energieträger transportiert werden können. Es wird deutlich, dass das Transportaufkommen von H2 erheblich anwachsen wird und dass sich alle Seiten, die Regelsetzer und die Industrie darauf vorbereiten müssen.
Danach wird mit Blick auf die Normungsroadmap H2 des DIN der probabilistische Ansatz mit seinem Potenzial, Normen und Vorschriften in ihrer Wirkung zu simulieren und zu bewerten kurz vorgestellt.
Der dritte Block des Vortrages beginnt mit der Definition von Sicherheit, zeigt kurz das mikromechanische Prinzip der Alterung von Composite und greift dann ein Thema auf, dass Dr. Mair bereits 2018 und 2019 in dieser Runde dargelegt hat: Der Aufwand für die klassische Wiederkehrende Prüfung ist enorm und bringt nur wenig Erkenntnis. Es werden graphisch das 5-Jahres 100%-Prooftesting, der Ansatz nach GGR 022 mit seiner zerstörend geprüften Stichprobe und der mögliche Ansatz für eine ergebnisgesteuerte Stichprobenprüfung auf ZfP-Basis miteinander verglichen. Die Unterschiede im Aufwand-zu-Nutzen-Verhältnis sind enorm. Dabei ist der aufwändigste Ansatz zudem der mit der geringsten Erkenntnistiefe.
Jeder Ansatz, der von einer 100%-Prüfung in einem maximalen Zeitrahmen von 10 Jahren abweicht, also z.B. der Verzicht auf eine 100%-Prüfung während des Betriebes, würde eine Änderung des Regelwerkes erfordern, die zeitnah angestoßen werden müsste. Da es sich hierbei primär um eine Ressourcenoptimierung und nicht um eine Verbesserung der Sicherheit handelt, liegt der Ball bei den Verbänden. Als eine Idee für das Herangehen mit einer Begrenzung auf Druckgefäße, die nach der EN 17339 zulassungsfähig sind (fest montiert, H2 und nur CFK), verweist Dr. Mair auf die SV 674 in Verbindung mit 6.2.3.5.3/.4 ADR/RID. Bei dem absehbaren Anwachsen des Bestandes an H2-Batteriefahrzeugen, ist hier nicht nur ein Optimierungsaspekt, sondern auch ein Kapazitätsproblem in der wiederkehrenden Prüfung zu lösen. Es würde aber auch ein Mehrwert für die Sicherheit entstehen.
The Gases Advisory Group is organized regularly by the Prevention Division of the German Employer's Liability Insurance Association for Raw Materials and the Chemical Industry. The event serves as an exchange between science and industry on current safety-related issues concerning oxygen and hydrogen. In this context, BAM presented an overview of its various activities of the competence center H2Safety@BAM, which are reflected in the entire hydrogen value chain. In addition, the plans for the expansion of the test infrastructure at BAM's Technical Safety Test Site were presented. The results of the DELFIN project on the safety of pressurized gas storage tanks, the release tests of liquid hydrogen as well as the underfiring of corresponding cryogenic storage tanks and the plans for the ModuH2Pipe@BAM project were also presented. The presentation concluded with the current recommendations of the Hydrogen Research Network.