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Kurzfassung. Die meisten Faserverbundbehälter, die in Europa für den Transport gefährlicher Stoffe oder als Speicherbehälter für Wasserstoff oder Erdgas in Fahrzeugen Verwendung finden, werden für eine nicht begrenzte Lebensdauer ausgelegt. In regelmäßigen Abständen sind für diese Druckbehälter wiederkehrende Prüfungen vorgeschrieben, die in der Regel aus visuellen Inspektionen und hydraulischen Innendruckprüfungen bestehen. Die wiederkehrenden Prüfungen sind jedoch weder geeignet, die sichere Betriebsdauer festzulegen noch den Alterungszustand der Druckbehälter zu beurteilen. Aufgrund des weiter steigenden Drucks zur Kosten- und Gewichtsreduktion von Faserverbundbehältern und der damit einhergehenden Ausnutzung der existierenden Sicherheitsmargen gewinnen Methoden zur Beurteilung des Alterungsverhaltens dieser Druckbehälter immer mehr an Bedeutung.
Vor diesem Hintergrund wurde in der BAM das Vorhaben „Alterungsverhalten von Composite-Druckgefäßen mit Carbonfaser-Compositen unter gekoppelten Beanspruchungen (COD-AGE)“ gestartet, um die Alterung von Faserverbundbehältern mittels verschiedener zerstörungsfreier Prüfverfahren zu untersuchen. Die hier vorgestellten Ergebnisse wurden an einem Typ 4 Hybridbehälter mit Kunststoffliner gewonnen, in den im Rahmen des Herstellungsprozesses optische Glasfasern in verschiedenen Schichten integriert wurden. Der Behälter wurde mittels hydraulischem Innendruck und erhöhter Umgebungstemperatur zyklisch bis zum Lebensende belastet. Zwischen den einzelnen Lastsequenzen erfolgte eine an die wiederkehrende Prüfung im Betrieb angelehnte hydraulische Druckbelastung.
Sowohl die hydraulische Alterung als auch die Druckrampen wurden mittels Schallemissionsprüfung (SEP) und verteilter faseroptischer Sensorik mit dem Ziel einer frühzeitigen Versagensvorhersage überwacht. Durch die Schallemissionsanalyse sollte untersucht werden, ob zum Lebensende hin ein signifikanter Anstieg der Schallemissionsaktivität und -intensität, unterteilt in verschiedene Lastbereiche, beobachtet werden kann. Zusätzlich zum kontinuierlichen Monitoring der Zyklierung sollten die Druckrampen separat untersucht werden, um hier Potenziale für die wiederkehrende Prüfung zu erkennen.
Die BAM ist nahezu über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg wissenschaftlich tätig. Von der sicheren und effizienten Wasserstofferzeugung (POWER-to-GAS), über die (Zwischen-)Speicherung von Wasserstoff in Druckgasspeichern bis hin zum Transport bspw. mittels Trailerfahrzeug zum Endverbraucher.
Komplettiert werden die Aktivitäten der BAM durch die sicherheitstechnische Beurteilung von wasserstoffhaltigen Gasgemischen, die Verträglichkeitsbewertung von Werkstoffen bis hin zur Detektion von Wasserstoffkonzentrationen über geeignete Sensorik, auch mittels ferngesteuerter Messdrohnen (sog. UAV-Drohnen).
Zudem untersucht die BAM proaktiv Schadensrisiken und Unfallszenarien für die Sicherheitsbetrachtung, um mögliche Schwachstellen aufzeigen und potenzielle Gefährdungen erkennen zu können.
Druckbehälter aus Verbundwerkstoffen (sog. Composites) werden vielfältig zur Speicherung von Wasserstoff in und auf Fahrzeugen eingesetzt: auf Bus- und Zugdächern, im Pkw und auf für den Transport von Wasserstoff in sog. Batteriefahrzeugen. Alleine dort haben die neuen Composite-Speicher zu einer Gewichtsreduktion und damit Steigerung der Transporteffizienz von 10 auf 35 kg Wasserstoff pro Tonne Fahrzeuggewicht geführt.
Mit der dadurch gestiegenen Menge von Wasserstoff im Fahrzeug und auch der Anzahl der Fahrzeuge ist es hilfreich, die Risiko-Aspekte genauer zu betrachten. Die Druckwelle von Wasserstoff ist zwar bei gleichem Druck-Volumen-Produkt (pV-Produkt) von geringerer Konsequenz, aber absolut dennoch erheblich. Kombiniert man diese Betrachtung mit der Risikogrenze, wie diese in der GGR 021 auf Basis der Eintrittswahrscheinlichkeit und des pV-Produkts festgelegt ist, lässt sich das Risiko zukunftsfest steuern.
Zieht man als Beispiel den Schweitzer Ansatz zur Seveso-II- Richtlinie hinzu, kommt man z.B. über die Anzahl der Toten zu einer Obergrenze der Konsequenz, die unabhängig vom Risiko kritisch wird. Sobald im Katastrophenfall keine adäquaten Maßnahmen mehr ergriffen werden können, können die entsprechenden Konsequenzen zur mehr unter erheblichen Auflagen akzeptiert werden.
Da ein solcher Ansatz für den Gefahrguttransport von (zukünftigen) Massengütern wie Wasserstoff nicht akzeptabel ist, muss bei der Zulassung von Wasserstoffspeichern im Transport auf ein maximales pV-produkt von 1.5 Mio bar-Liter (Prüfdruck) bzw. 1 Mio bar-Liter (Nennbetriebsdruck) geachtet werden.
Diese Betrachtung hat bereits zu erheblichen Begrenzungen des Geltungsbereichs in Normungsprojekten geführt.
Safety aspects of the storage containments of hydrogen are independent from the kind of usage: The main criteria is the resistance against the pressure load. On the 2nd level there are aspects specific to the usage as e.g. crash loads etc.
Safety is achieved when the probability (frequency) of a failure during the service life is acceptable!
But an aspect common for all usages is the scatter of properties resulting from the material and the production. Therefore, it is worth to have a look on the current approach of minimum burst ratios from an unknown point of view: the basic populations of a product – based on exemplarily assessments.
According to this approach, several diagrams with Monte-Carlo generated basic populations in new and aged conditions have been shown. Thus, it has been demonstrated that not the conditions at the begin of life are the critical ones. No, the end of life properties are the critical ones.
This has been combined with the acceptance rate of borderline basic populations. The approach of minimum burst ratios leads to the acceptance rate of 40 % and higher for the approval of critical basic populations – critical due to their production scatter.
This problem becomes much more critical when taking into account the unknown effects of degradation and in-service ageing.
Therefore, we cannot support the proposed reduction of minimum burst ratio without having a stronger assessment of production scatter.
The presentation summarizes all the safety concerns that have led DIN to reject an ISO project about extremely large gas/hydrogen transport units.
The core point is the consequence potential, which has increased considerably with the scope of the standardization project in comparison with state of the art systems. At the same time, there is a lack of an approach to take into account the reliability requirements that depend on the consequences, at least up to the level of a catastrophe.
Es werden die Zusammenhänge des Druckvolumenprodukts und der Konsequenz bei Druckgasen insbesondere für Wasserstoff dargestellt. Entsprechend werden Stellungnahmen zu verschiedenen Normungsprojekten abgeleitet und perspektivische Entwicklungen mit dem resultierenden Bedarf in der Normung dargestellt. Außerdem wird am Beispiel ein Problem in der praktischen Beurteilung von Speicherpopulationen für Batteriefahrzeuge diskutiert.
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.
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.
Safety criteria for the transport of hydrogen in permanently mounted composite pressure vessels
(2019)
The recent growing of the net of hydrogen fuelling stations increases the demands to transport compressed hydrogen on road by tube-trailers in composite pressure vessels. As transport regulation the ADR is applicable in Europe and adjoined regions and used for national transport in EU. This regulation provides requirements based on the burst pressure of each individual pressure vessel, regardless the capabilities of the transported hydrogen and relevant consequences resulting from worst case scenarios. In 2012, BAM (German Federal Institute for Materials Research and Testing) introduced consequence-dependent requirements and established them in national requirements concerning the “UN service life checks” etc.) to consider the transported volume and pressure of gases. However, this results in a stringent requirement in case of using large pressure vessels (tubes) on tube-trailers. In the studies presented here, the key safety factors for using hydrogen trailers are identified and reviewed through some safety measures from some countries like Japan, USA and China. Subsequently, the risk, chance, failure consequences of using trailers are evaluated, in addition, the difficulties for approving huge pressure vessels (large tubes) are addressed. There, a maximum acceptable pressure-volume product is defined. Finally, a performance-based criterion for the balance of chance and risk of hydrogen trailers is suggested to add into regulations and consequently into standards for hydrogen trailers.
Safety criteria for the transport of hydrogen in permanently mounted composite pressure vessels
(2019)
The recent growing of the net of hydrogen fuelling stations increases the demands to transport compressed hydrogen on road by batterie vehicles or tube-trailers, both in composite pressure vessels. As transport regulation the ADR is applicable in Europe and adjoined regions and used for national transport in EU. This regulation provides requirements based on the burst pressure of each individual pressure vessel, regardless the capabilities of the transported hydrogen and relevant consequences resulting from worst case scenarios. In 2012, BAM (German Federal Institute for Materials Research and Testing) introduced consequence-dependent requirements and established them in national requirements concerning the “UN service life checks” etc. to consider the transported volume and pressure of gases. However, this results in a stringent requirement in case of using large pressure vessels (so called “tubes”) on vehicles. In the studies presented here, the safety measures for hydrogen road transport are identified and reviewed through some safety measures from some countries like Japan, USA and China. Subsequently, the failure consequences of using trailers, the related risks and chances are evaluated. Finally, a chance-related risk criterion is suggested to add into regulations and consequently to be defined as safety goal in standards for hydrogen transport vehicles and consequently for mounted pressure vessels.