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Experiments have been performed to determine whether a storage vessel containing LH2 and caught in a fire engulfing the vessel can result in a BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion) and if so its effects. The tests were performed at the Test Site Technical Safety of the Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) in Horstwalde, Germany.
Three tests were performed using double-walled vacuum insulated vessels of 1 m3 volume. The cylindrical Vessels differed in orientation (horizontal or vertical) and the insulation material used (perlite or multi-layer insulation (MLI)). The degree of filling of the vessels was approximately 35-40 % in each of the tests performed. The fire load was provided by a propane fed burner positioned under the storage vessel and designed to give a homogeneous fire load.
The conditions in the vessel (temperatures and pressure) as well as external effects (heat radiation, blast waves, flame ball development and fragmentation) were measured.
All vessels were equipped with K-type thermocouples at several locations: inside the inner vessel in the gas phase and the liquid phase, on the inner and outer side of the inner vessel and on the inner and outer side of the outer vessel. The pressure inside the inner vessel (both in liquid, as a level indicator, and gaseous phase), and in the space between the inner and outer vessels (vacuum pressure) was measured.
Bolometers were used to measure the heat radiation generated by both the propane fire and that generated by a possible fireball/BLEVE. To measure blast generated by the vessel burst/BLEVEs blast pencils were positioned at three locations in two directions. Weather conditions were monitored at two weather stations. Further several cameras were used to monitor the events: normal cameras, infrared (IR)-cameras, high-speed cameras also on board of a drone.
Two of these vessels, a horizontal and a vertical vessel both insulated with perlite withstood the fire loading for 1 hour 20 minutes and 4 hours respectively without catastrophic failure. A horizontal vessel insulated with MLI failed by bursting after 1 hour and 6 minutes resulting in a fireball, fragments, and blast waves.
Tetrafluorethen wird von der Polymerindustrie seit Jahrzenten als monomeres Ausgangsmaterial sowohl für die Herstellung von Polymeren (PTFE) als auch für Kopolymere (PCTFE) eingesetzt.
Aufgrund seiner Eigenschaft als chemisch instabiles Gas kann TFE auch ohne Luftsauerstoff oder einen anderen Oxydator explosionsartig zerfallen. Nach der Initiierung des Zerfalls kann dieser unter bestimmten Bedingungen aufgrund des exothermen Reaktionsverhaltens sich selbstständig in Apparaten und Rohrleitungen ausbreiten. Dies geht aufgrund der freigesetzten Reaktionsenthalpie mit einem schlagartigen Anstieg von Druck und Temperatur einher, was zu erheblichen Belastungen der Materialien bis hin zum Versagen und Bruch und möglichen Folgeschäden einschließlich Personenschäden führen kann und in der Vergangenheit bereits mehrfach geführt hat.
Besonders nach Wartungsarbeiten besteht die Gefahr, dass Teilabschnitte im Rohrleitungssystem mit TFE, Stickstoff oder Luft gefüllt sind mit Drücken in einem Bereich zwischen technischem Vakuum und atmosphärischem Druck wohingegen angrenzende Rohrabschnitte oder Behälter immer noch TFE bei Betriebsdrücken bis 32 bar enthalten können. Dabei sind die Abschnitte in der Praxis häufig durch Kugelhähne voneinander getrennt, die aufgrund ihrer Öffnungscharakteristik bereits bei geringen Betätigungswinkeln eine große Querschnittsfreigabe für die Strömung im Rohr ermöglichen. Dadurch können schlagartige Kompressionsvorgänge des Gases im Niederdruckbereich ermöglicht werden, die allein aufgrund der thermodynamischen Zustandsänderung zu einer erheblichen Temperaturerhöhung führen und im schlimmsten Fall zur Initiierung der Zerfallsreaktion führen können.
Es wird erstmalig ein Versuchsaufbau im Industriemaßstab, der einer explosionsartigen Zerfallsreaktion von TFE standhalten kann. Zahlreiche Sicherheitskonzepte einschließlich diverser Berstscheibenkonfigurationen als auch zeitgesteuerte Schnellschlussventile wurden eingehend untersucht und bewertet, um die optimale Versuchskonfiguration für bestmögliche Reproduzierbarkeit festzulegen. Es fand eine systematische Untersuchung der schlagartigen Kompression der Systeme Luft/Luft, TFE/Luft, TFE/TFE und TFE/N2 statt.
In der Hochdrucksektion wurden Drücke bis 30 bar realisiert und im Niederdrucksektor konnten Anfangsdrücke im Bereich weniger Millibar bis hin zu Atmosphärendruck eingestellt werden.
Als Hauptergebnis wurde ein „Hazard diagram“ erstellt, mit dessen Hilfe die Zündwahrscheinlichkeit in Abhängigkeit vom Hochdruck und Niederdruck abgeschätzt werden kann. Gefährliche Bedingungen in Rohrleitungen können dadurch auf einfachem Weg identifiziert werden.
Als Referenzsystem zur Beurteilung der maximal erreichbaren nicht reaktiven Kompressions-temperaturen wurde Luft/Luft verwendet. Die damit ermittelten Daten dienten zur Bewertung von zusätzlichen exothermen Effekten, wie sie etwa bei Vorreaktion des TFE im Falle einer Dimerisierung auftreten können.
Entgegen der ursprünglichen Annahme konnten die Systeme TFE/Stickstoff und TFE/TFE im verwendeten Aufbau nicht durch Kompressionsvorgänge gezündet werden.
The presentation introduces the BAM as well as the experimental possibilites at the BAM TTS in the first part. The general possibilities regarding Power2Gas with respect to hydrogen production by electrolysis are preseneted. Furthermore the Hydrogen Strategy of Germany and the status quo regarding grenn energy solutions in the transport sector are given. In the last part of the presentation a short overview of relevant investigations in the field of hydrogen safety and alternative fuels for cars as well as perspectively planned investigations of the BAM in this area are presented.
In einer Versuchsreihe im Realmaßstab wurden drei Flüssigwasserstofftanks (LH2) unterfeuert. Hierbei sollte unter anderem geklärt werden, ob es, analog zu druckverflüssigten Gasen, zu einem BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapor Cloud Explosion) kommen kann. Die Experimente wurden auf dem Testareal Wasserstoffsicherheit des Testgeländes Technische Sicherheit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM-TTS) im Rahmen einer Forschungskooperation zwischen der BAM und Gexcon, als Teil des SH2IFT-Programms durchgeführt. Es handelte sich um doppelwandige, vakuumisolierte Tanks von 1 m³ Volumen. Die zylindrischen Tanks unterschieden sich durch ihre Ausrichtung (horizontal oder vertikal) und das verwendete Isoliermaterial (Perlit oder Mehrschichtisolierung (MLI). Der Füllgrad der Tanks betrug bei jedem der durchgeführten Tests etwa 35-40 %. Die Brandlast wurde homogen durch ein propangasbetriebenes Brennersystem erzeugt. Gemessen wurden die Bedingungen im Behälter (Temperaturen und Druck) sowie äußere Randbedingungen und Auswirkungen beim Versagen (Wärmestrahlung, Druckwellen, Flammenballentwicklung und Fragmentierung). Mit Bolometern wurde die Wärmestrahlung gemessen, die sowohl durch das Propanfeuer als auch durch einen möglichen Feuerball/BLEVE erzeugt wurde. Zur Messung der durch das Bersten von Behältern/BLEVEs erzeugten Druckwellen wurden sog. Pencil-Probes verwendet. Des Weiteren wurden mehrere Kameras zur Überwachung der Experimente eingesetzt: Normalbildkameras, Infrarot (IR)-Kameras und Hochgeschwindigkeitskameras, sowohl bodengestützt als auch mittels einer Drohne. Zwei der untersuchten Tanks, ein horizontaler und der vertikale, die beide mit Perlit isoliert waren, hielten der Brandbelastung stand, ohne dass es zu einem Behälterversagen kam. Der mit MLI isolierte horizontale Behälter barst nach 1 Stunde und 6 Minuten und erzeugte dabei einen Feuerball, Trümmerflug und eine Druckwelle. Neben der Beschreibung der Auswirkungen eines kritischen Versagens eines LH2-Tanks sind weitere Ziele der Arbeit die Identifizierung kritischer Behälterzustände sowie die Erstellung eines umfassendes Datensatzes der Trümmer des geborstenen Tanks. Die größten Abstände für kritische Abstände ergaben sich durch Fragmentwurf. Hier sollen 3D-Scans für die Verwendung in CAD und FEM Anwendungen bereitgestellt werden. Umfassende Daten zu den Fragmentwurfweiten, - massen und -positionen wurden bereits publiziert. Damit soll die Voraussetzung geschaffen werden, um vorhandene Wurfweitenmodelle, die bisher nur für einschalige Behälter konzipiert wurden auf ihre Eignung für mehrschalige Behälter zu überprüfen oder mögliche Anpassungen anhand der realen Daten vornehmen zu können. Zudem wurde damit begonnen die nicht geborstenen Tanks zu vermessen und zu zerlegen, um u.a. die Perlit-Schüttung auf Beeinträchtigungen durch den Transport und die Unterfeuerung zu untersuchen.
Within a research cooperation between BAM and Gexcon as part of the SH2IFT program, large scale experiments have been performed at the Test Site Technical Safety of the Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) to determine the hazards emerging from a vacuum insulated cryogenic storage vessel containing liquified hydrogen (LH2) is caught in a fire engulfing it.