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Organisationseinheit der BAM
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Die aktuelle Praxis, auch die wiederkehrende Prüfung von Druckgefäßen aus Verbundwerkstoffen primär auf die hydraulische Innendruckprüfung abzustellen, ist kritisch zu bewerten. Zum einen tragen diese Prüfungen mit ihren relativ hohen Drücken vor dem Hintergrund der Schädigungsprozesse in Faser-Verbundwerkstoffen deutlich zur Degradation bei, zum anderen ist der Erkenntnisgewinn aus dieser Prüfung verschwindend. Um eine Abschätzung der sicheren Lebensdauern zu erhalten, bieten sich betriebsbegleitend zerstörende Prüfungen an. Kann man zwei zeitlich versetzte Zustandsbeschreibungen dieser Art miteinander vergleichen, sollten für jedes Baumuster/jede Bauart zeitabhängige Restfestigkeitsmerkmale ableitbar sein. Hierzu wird ein Ansatz formuliert, der spezifische Prüfverfahren und weitergehende Betrachtungen, z. B. über den geeigneten Zeitpunkt für Stichprobenprüfungen im Laufe der Betriebszeit, beinhaltet.
Die aktuelle Praxis, auch die wiederkehrende Prüfung von Druckgefäßen aus Verbundwerkstoffen primär auf die hydraulische Innendruckprüfung abzustellen, ist sowohl bezüglich der Schädigung der Prüfmuster als auch ihrer Aussagekraft als kritisch zu bewerten. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung BAM bringt daher bei der Zulassung von Prüffristen für Composite-Druckgefäße von mehr als fünf Jahren zur Absicherung einen neuen Ansatz zur Anwendung. Er ermöglicht eine Zustandsbeschreibung der Population eines Baumusters auf der Basis wiederholt betriebsbegleitend zerstörender Prüfungen. Nachfolgend wird erläutert, wie die statistische Auswertung von Stichproben und deren perspektivische Extrapolation erfolgen und wie Zuverlässigkeitsgrenzwerte von der Größe von Druckgefäßen abhängig gemacht werden können, sowie welchen Einfluss der reale Gasdruck auf die Sicherheitsbewertung im Rahmen des Ansatzes der BAM hat. Insbesondere wird in das zentrale Arbeitsdiagramm des Ansatzes eingeführt und erläutert, wie dieses verwendet werden kann. Hierzu wird auch ausgeführt, wie die Füllzyklenzahl und die Lastwechselfestigkeit über die neu eingeführte Größe der spezifischen Füllempfindlichkeit zusammenhängen.
Druckbehälter werden vor ihrer Inbetriebnahme obligatorisch einer hydraulischen Prüfung bis zum sog. Prüfdruck belastet. Damit sollen fehlerhaft gefertigte Individuen erkannt und ausgesondert werden. Mit dieser Prüfung werden aber auch diejenigen Einzelbehälter ausgesondert, die ohne einem nachvollziehbaren Fertigungsfehler, nur auf Basis der statistischen Streuung ggf. eine Festigkeit unterhalb des Prüfdrucks aufweisen.
Da der Prüfdruck im Fall der Wasserstoffspeicher mindestens 20% über dem maximal zulässigem Betriebsdruck liegt, wäre damit ein Versagen im Betrieb ausgenommen, gäbe es die verschiedenen Alterungs- bzw. Ermüdungseffekt nicht.
Um den Einfluss der erstmaligen Prüfung auf eine angenommene ausfallfreie Zeit bewerten zu können, wird hier die Alterung und die erstmalige Prüfung in Kombination analysiert. Hierzu wird auf Basis der Restfestigkeitsdaten aus einer umfangreichen Prüfkampagne ein Ansatz für die Beschreibung der Alterung ermittelt und auf andere Lastzustände übertragen.
So kann für das Baumuster, das der o.g. Prüfkampagne zugrunde lag, mithilfe einer Monte-Carlo-Simulation gezeigt werden, dass mindestens 10.000 LW vor einem ersten Alterungsversagen mit 1 aus 1 Mio. In Abhängigkeit der Anzahl der Individuen, die bei der erstmaligen Prüfung versagen, und der Streuung der gesamten Population, kann diese Mindestfestigkeit auf realistisch 50.000 Lastwechsel steigen.
Damit ist gezeigt, dass aufgrund der erstmaligen Prüfung eine Mindestfestigkeit erzeugt wird, die stark vom Alterungsverhalten abhängt. Im Ergebnis heißt dies, dass in den Vorschriften aktuell die Bedeutung des Mindestberstdrucks in der Baumusterprüfung überschätzt und die möglichst betriebsbegleitende Erfassung der Alterung unterschätzt sind.
Der Foliensatz beginnt mit den Erwartungen der EU zum Wasserstoffverbrauch und der Visualisierung, wie Risikosteuerung bei stark wachsender Technik funktionieren kann, und welchen zeitlichen Vorlauf man für die Einführung von neuen Zulassungsanforderungen benötigt. Der Begriff Sicherheit wird über den Risikobegriff definiert und am Beispiel quantifiziert. Danach werden verschiedene Werkzeuge vorgestellt, die dazu geeignet sind, die Risikosteuerung im Markthochlauf zu realisieren: Die statistische Bewertung von Stichproben, die probabilistische Bewertung von Populationen, die Lebensdauervorhersage von Populationen. Dies führt weiter zum Gedanken eines probabilistischen Zulassungsansatzes und zum Potential Monte-Carlo-Experimentes in der Bewertung der Wirkung von deterministischen Baumusterprüfkriterien. All dies sind Themen, die nach Meinung des Vortragenden Zukunftsprojekte der Normung sein sollten, um ein Werkzeug zu erhalten, das auch weitgehend ohne produktspezifische Erfahrung geeignet ist, Sicherheit in einer H2-Gesellschaft zu gewährleisten.
Durch Anwendung der Monte-Carlo-Simulation auf das SPC-Arbeitsdiagramm der BAM lässt sich darstellen, in welchem Umfang aktuelle Mindestanforderungen in den Zulassungsvorschriften bereits im Neuzustand Baumuster akzeptieren, die keine hirneichende Zuverlässigkeit (Sicherheit) aufweisen. Dies ist hier exemplarisch u. a. am Beispiel der Wasserstofffahrzeug-GTR dargestellt.
Das Buch zeigt einen alternativen Weg der Sicherheitsbeurteilung von Druckbehältern aus Faserverbundwerkstoffen. Dies ist insbesondere für die Mobilität der Zukunft und die zugehörige Energieversorgung mit Bio-/Erdgas und Wasserstoff von Interesse. Mit statistischen Methoden gelingt es, die Sicherheit auch jenseits der Grenzen aktueller Vorschriften fundiert zu beurteilen. Es wird dargelegt wie eine probabilistische sicherheitsbeurteilung als Alternative aussehen könnte. Dieser Ansatz basiert auf neuen Verfahren der zerstörenden Prüfung und statistischer Auswertung relevanter Festigkeitseigenschaften. Hierzu zählen die langsame Berstprüfung und ein spezielles Arbeitsdiagramm zur Auswertung von Stichproben. Darüber hinaus erlaubt der Ansatz die Quantifizierung der Degradation im Betrieb und zeigt Wege zur Abschätzung der Lebensdauer. Sicherheit wird diskutiert als Kombination von Überlebenswahrscheinlichkeit und Konsequenz.