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Die zunehmende Bedeutung von Wasserstoff als emissionsfreier Energieträger der Zukunft lässt die Anforderungen an eine technisch einwandfreie und sichere Wasserstoffspeicherung steigen. Im Mobilitätssektor kommen dabei vorwiegend Kohlefaserverbundbehälter zur Speicherung von gasförmigem Wasserstoff im Hochdruckbereich zum Einsatz, die sich durch ihre Leichtbauweise bei gleichzeitig hoher Speicherkapazität auszeichnen. Materialfehler oder -ermüdung können jedoch zum Ausfall bis hin zum kritischen Versagensfall führen. Ein sicherer Betrieb der Behälter erfordert daher ein innovatives und zuverlässiges Konzept, um deren Integrität zu gewährleisten und folgenschwere Zwischenfälle zu vermeiden.
Die Strukturüberwachung mittels geführter Ultraschallwellen ist dafür einer der prominentesten Ansätze, da sich die Wellen über große Entfernungen in der Struktur ausbreiten können und zudem sehr empfindlich auf kleinste Materialdefekte reagieren.
In diesem Beitrag wird der Aufbau eines Sensornetzwerks zur Schadenserkennung und -lokalisierung vorgestellt, das auf den Prinzipien der Ausbreitung geführter Ultraschallwellen in Druckbehältern aus Verbundwerkstoffen basiert. Dazu werden in einem ersten Schritt das dispersive und multimodale Ausbreitungsverhalten analysiert und dominante Wellenmoden identifiziert. Basierend auf der Analyse werden Dämpfungsverhalten und Empfindlichkeit gegenüber künstlichen Defekten bestimmt. Unter Verwendung der ermittelten Informationen wird ein Sensornetzwerk bestehend aus piezoelektrischen Flächenwandlern entworfen, welches den zu untersuchenden Bereich vollständig abdecken soll. Das Ergebnis wird anschließend durch Aufbringen künstlicher Defekte experimentell evaluiert und präsentiert.
Wasserstoff als flexibel einsetzbarer und leicht transportierbarer Energieträger bildet eine Schlüsselkomponente auf dem Weg zu einer klimaneutralen Energiewende. Zur Speicherung von gasförmigem Wasserstoff kommen bei stationären und auch mobilen Anwendungen meist Druckbehälter aus Verbundwerkstoffen zum Einsatz. Dabei ist für den Betrieb der Behälter die Gewährleistung der Sicherheit von großer Relevanz. Structural Health Monitoring (SHM) bietet einen innovativen Ansatz, um sowohl die Sicherheit als auch die Zuverlässigkeit der Druckbehälter zu gewährleisten und kritische Versagensfälle zu vermeiden.
Zur kontinuierlichen Überwachung und Bewertung des Zustands eines Wasserstoffdruckbehälters wird in dem vorliegenden Beitrag eine aktive Methode präsentiert, die auf geführten Ultraschallwellen basiert. Dabei kommt das Pitch-Catch Verfahren zwischen Sender und Empfängern zur Überwachung der strukturellen Integrität zum Einsatz. Auf Grundlage des untersuchten Wellenausbreitungsverhaltens im Druckbehälter sowie der Geometrieeigenschaften wird ein Sensornetzwerk aus piezoelektrischen Flächenwandlern (PZT) zur Abdeckung des zu überwachenden Bereichs entworfen. Ziel ist es mit Hilfe eines Optimierungsalgorithmus eine größtmögliche Abdeckung bei gleichzeitiger Minimierung der Anzahl der Sensoren zu erreichen. Zudem soll eine gleichmäßige und platzsparende Verteilung im Vordergrund stehen, so dass zukünftig weitere Messmethoden auf dem Druckbehälter angewendet werden können (z. B. durch akustische oder faseroptische Sensoren).
Das für die Anwendung optimierte Sensornetzwerk wird anschließend hinsichtlich der Robustheit bei der Schadenserkennung und -lokalisierung durch Aufbringen von künstlichen Schäden evaluiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die künstlichen Schäden am Wasserstoffdruckbehälter nachgewiesen werden können.
Brände zerstören immer wieder wichtige Kulturgüter und gefährden nationales Kulturerbe. Das Projekt BRAWA erarbeitet neue Strategien und innovative Technologien, um die Brandsicherheit historischer Gebäude zu erhöhen. Dabei basiert das Konzept auf der Vernetzung von Sensoren, die bereits beim Auftreten bestimmter Gase in der Frühphase der Brandentstehung Alarm auslösen. Durch ein neuartiges Helferkonzept soll eine frühe Branderkennung und -bekämpfung ermöglicht werden.
Damage to buildings occurs if a construction component fails. The result is a partial or total collapse which can be dangerous for people for example if it's a bridge or a large hall. The collapse of the terminal building at the Airport Charles de Gaulle in Paris and the damage at the historic City Archives of Cologne are typical examples of such accidents. Another problem is the contradiction of the increasing volume of traffic (particularly heavy traffic) and the great age of bridges. The probability increases that the load-bearing capacity of a bridge decreases. For example the collapses of the Mississippi Bridge and of the Inntal Motorway Bridge can be seen as results. Therefore it is necessary to control endangered structures during their life span.
In order to prevent these kinds of accidents, the Federal Institute for Materials Research and Testing developed a radio-based, self-configuring measuring system in cooperation with the ScatterWeb Company, Berlin (Germany). This measuring system consists of identically designed sensor modules which are self-sustaining, wireless, act as transmitters and receivers and are equipped with a special sensor technology for long-term monitoring of buildings or engineering facilities. The sensor unit uses strain gauges for stress analysis and contains interfaces for additional sensors. The system in particular applies to buildings and structures for transport and traffic and large-scale industrial facilities, where a subsequent wiring installation is difficult or impossible.
Wireless sensor network for long-term structural health monitoring of buildings and infrastructures
(2009)
Damage commonly occurs in buildings when a component fails suddenly with a
partial or total collapse as a consequence. This type of event leads to serious damage to property
and if it is a bridge or a large hall, then people in particular are at risk. The often great age of
bridges and the increasing volume of traffic (particularly heavy traffic) which they are expected
to carry are in clear contradiction to each other. Thus the probability increases that the loadbearing
capacity of a bridge decreases rapidly and often unnoticed with sometimes dire
consequences.
In order to prevent such accidents, the Federal Institute for Materials Research and Testing is
currently developing a special radio-based, self-configuring measuring system in cooperation
with the Berlin-based ScatterWeb Company. This measuring system consists of a number of
identically designed sensor nodes which are self-sustaining, need no wiring, can act as both
transmitters and receivers and are equipped with a special sensor technology making long-term
monitoring of buildings or engineering facilities possible. The sensor unit uses strain gauges for
stress analysis and contains interfaces for additional sensors. The system in particular applies to
buildings and structures for transport and traffic and large-scale industrial facilities, where a
subsequent wiring installation is difficult or impossible.