2.1 Sicherheit von Energieträgern
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Organisationseinheit der BAM
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- 2 Prozess- und Anlagensicherheit (359)
- 3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher (14)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (14)
- 9 Komponentensicherheit (13)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (12)
- 3.5 Sicherheit von Gasspeichern und Gefahrguttanks (11)
- 7 Bauwerkssicherheit (9)
- 9.0 Abteilungsleitung und andere (9)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (5)
Paper des Monats
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The number of vehicles using or transporting cryogenic fuels such as Liquefied Hydrogen (LH2) or Liquefied Natural Gas (LNG) is growing rapidly in the land transportation sector. This development raises the question of whether new risks—such as those associated with a BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion)—are emerging. A key aspect in addressing this concern is the investigation of the behavior of cryogenic storage tanks under fire conditions, including the characterization of representative fire scenarios. The heat load to the tank in such scenarios can be reproduced by design fires, which can be used reproducibly in the approval process for such tanks. The paper presents results of a series of fire tests regarding pool, tyre, and truck cabin fires interacting with a calorimeter, arranged at BAMs Test Site Technical Safety (BAM TTS) in Germany. The calorimeter represents a device in the fire that measures the incident heat flow over time. The results enable the analysis and characterization of the fires and the identification of a design fire representative of a wide range of fire scenarios. The study demonstrates that a comprehensive fire characterization — based on a maximum temperature of 1000 °C and a flame emissivity of 0.5 — is well-suited to simulate a broad range of realistic fire conditions. In contrast, current standards for cryogenic tanks often assume lower temperatures and do not specify the flame emissivity, which significantly influences heat transfer to the tank. These insights are crucial for developing representative design fires for tank approval processes and for improving the understanding of accident scenarios and their potential consequences.
Valide Grenzwerte zur Bewertung der Verletzungsfolgen oder Letalität von Explosionsereignissen und ihrer Einwirkung auf den menschlichen Körper sind essentiell für die Störfallauswirkungsbetrachtung, die Planung von Sicherheitsmaßnahmen im Rahmen der Prozess- und Anlagensicherheit wie auch für die Gefahrenabwehr. Bei dieser Betrachtung ist die primäre Explosionswirkung, also die isolierte Betrachtung des Verdichtungsstoßes (Blast), von besonderer Relevanz, da aufgrund der Vielzahl an mikro- wie makroskopischer Verletzungsmechanismen (luftgefüllte Organe, Gehirn, Physiologie und individuelle Faktoren etc.), des Mangels an auswertbaren, realen Fällen sowie oftmals für die Blast-Exposition unzureichend validierter numerischer Körpermodelle oder Modellannahmen Verletzungsprognosen nur schwer möglich sind.
Im Rahmen dieses Vortrags werden eine Auswahl der in der Literatur genutzten Grenzwerte und Letalitätsprognosen, die genutzte Methodik und jeweiligen Limitationen vorgestellt, sowie die Historie der Quellenangaben nachverfolgt. Viele Arbeiten führen letztlich zu den sogenannten „Bowen-Kurven“, welche auf Basis von Tierversuchen (vom Meerschweinchen bis zum Esel) im Rahmen der umfangreichen US-amerikanischen Untersuchungen der Wirkung von Kernwaffen und des daraus resultierenden sehr starken Verdichtungsstoßes in den 1950er und 60er Jahren entstanden sind. Die Validität der Skalierung und Übertragung auf den Menschen bedarf einer kritischen Bewertung.
Darüber hinaus werden die aktuellen Arbeiten der BAM zur Weiterentwicklung des Standes der Forschung im Hinblick auf die primäre Explosionsverletzung vorgestellt und ein genereller Ausblick zur Thematik Grenzwerte gegeben.
Effect of lubricant oil composition on hydrogen auto-ignition in a heated constant-volume autoclave
(2026)
This study examined the impact of the base oil and additives in formulated lubricant oils on the ignition behavior of hydrogen. The minimum auto-ignition temperature (AIT) was measured using a heated, constant-volume autoclave at 20 bar. Four fully formulated lubricant oils (Oils A, B, C, and D) with different additive compositions and base oils were tested to evaluate their influence on hydrogen ignition. The focus was on additives containing calcium (Ca) and magnesium (Mg), as these elements are known to affect pre-ignition. The study also investigates the individual effects of Ca and Mg additives in base oil. Ca-based additives are known to be strong promoters of pre-ignition, while Mg-based additives tend to have no effect. However, the results indicate that the Ca-based additive has no significant effect, while the Mg-based additive has a minor inhibitory effect, on hydrogen ignition behavior in the heated constant-volume-autoclave. Base oil, on the other hand, has a greater influence on H₂ ignition. The results also show that different lubricant formulations have different auto-ignition characteristics. Lubricants with a full package are more resistant to auto-ignition. Among the lubricants tested, the ester-based formulation exhibited the highest AIT, while the lubricant oil had a lower tendency to auto-ignite under hydrogen-rich conditions.
Der Erfolg von grünem Wasserstoff als Energieträger der Zukunft hängt stark von der Sicherheit seiner Anwendungen ab. Im Rahmen des Verbundprojekts PHOENIX wird ein Konzept für einen effizienten Wasserstoffverbrennungsmotor für Blockheizkraftwerke erarbeitet. Um einen stabilen und sicheren Motorbetrieb zu gewährleisten, müssen Verbrennungsanomalien wie Vorentflammung durch unerwünschte Zündquellen vermieden werden. Im Projekt werden u. a. Methoden zur Untersuchung des Einflusses verschiedener Schmierstoffe und Zündkerzenmaterialien auf die Zündtemperatur von Wasserstoff-Luft-Gemischen bei erhöhtem Druck entwickelt, um die Vorentflammungsneigung zu beurteilen. Da eine systematische Untersuchung des Zündverhaltens unter Berücksichtigung verschiedener Schmierstoffe und katalytischen Materialien am Motorprüfstand mit großem Aufwand verbunden ist, entwickelt die BAM vereinfachte Prüfmethoden in einem Versuchsstand mit druckfesten Autoklaven. Darin können Tests in Wasserstoffatmosphäre unter motorähnlichen Bedingungen (bis 20 bar) durchgeführt werden. Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurde festgestellt, dass Ölrückstände aus vorigen Versuchen einen großen Einfluss auf die Zündtemperatur haben können. Um diese zusätzliche Einflussgröße im Detail zu untersuchen, wurden unterschiedliche Alterungsprozeduren getestet. Je nach Alterungstemperatur enthält der Ölrückstand eine unterschiedliche Restmenge an organischen Bestandteilen. Es wurden Methoden identifiziert, die eine gut reproduzierbare und eindeutige Differenzierung der Schmierstoffe ermöglichen. Bei der Untersuchung verschiedener Zündkerzenmaterialien konnte gezeigt werden, dass Pt- und Ir-haltige Legierungen die Zündtemperatur stark herabsetzen können.
Predictions on flammability limits had been conducted using semi-empirical and fully empirical models, which are either limited in scope of application and/or affected by significant methodical prediction errors. Some parameters influencing the flammability limits are not considered in the non-comprehensive empirical models. In the present study, optimized multilayer perceptron models are investigated to improve the accuracy of the prediction of flammability limits in dependance from the temperature and any inert gas admixtures. Different input features constituted by the flammability state, mixture composition, initial mixture temperature, adiabatic flame temperature, and Lewis numbers were implemented into the multilayer perceptron model. Data limitation challenges were addressed using data augmentation. The best model indicated averaged deviations comparable to respective experimental flammability limits determination errors. The models also indicated comparable performances in comparison to the empirical models while having a broader range of applicability. This approach seeks to improve flammability limits prediction accuracy and calculation time necessary, minimizing flammability limits determination experimental efforts.
Second Life Verwendungen - Untersuchungen und erste Erfahrungen mit einem Ausbildungsdemonstrator
(2026)
Der Vortrag gibt zunächst einen Themeneinstieg in den Bereich der Second-Life-Batterien sowie rechtliche und technische Grundlagen zu Lebenszyklus und Alterung. Im Weiteren werden experimentelle Ergebnisse aus Versuchen zum thermischen Durchgehen mit Batteriemodulen aus dem BMBF-Vorhaben SEE-2L vorgestellt. Darüber hinaus wird ein eigens entwickelter Ausbildungsdemonstrators vorgestellt, welcher einen wesentlichen Baustein des Ergebnistransfers aus dem Vorhaben darstellt.
Stationäre elektrische Energiespeicher dienen dazu, Strom aus erneuerbaren, oftmals volatilen, Energiequellen (z.B. Solar- oder Windenergie) bis zur Nutzung zwischenzuspeichern. Der Anteil von erneuerbaren Energien an der Stromproduktion steigt in Deutschland seit vielen Jahren und erreichte mit 54,4 % im Jahr 2024 einen neuen Höchstwert. Folglich wird mittelfristig auch eine höhere Speicherkapazität für Netzpuffer auf Batteriebasis notwendig sein. Batteriespeicher können unter bestimmten Bedingungen thermisch Durchgehen. Dies ist mit der Freisetzung von großen Mengen an Wärme sowie toxischen und/oder brennbaren Gasen assoziiert. Durch die zukünftige Steigerung von verbauten Batteriekapazitäten ist auch zu erwarten, dass es mehr Zwischenfälle mit großskaligen elektrischen Energiespeichern geben wird. In der Vergangenheit wurden an der BAM eine Reihe von Untersuchungen durchgeführt, um die Auswirkungen des thermischen Durchgehens von Batterien im Bereich bis E = 6,85 kWh zu quantifizieren. Anhand der Ergebnisse können geeignete Schutzmaßnahmen in den Bereichen Prozess- und Anlagensicherheit aber auch vorbeugend baulicher und abwehrender Brandschutz definiert werden. Aktuelle Versuche der BAM und der OVGU haben das Ziel, die Propagation des thermischen Durchgehens zwischen den Modulen zu verhindern oder aber mindestens zu verzögern. Dadurch soll das Schadensausmaß bei einem Zwischenfall in einem Stationärspeicher möglichst begrenzt werden und die Interventionszeit für Gegenmaßnahmen vergrößert werden. Hierzu wurden an der BAM fünf Großversuche zur Propagation des thermischen Durchgehens mit je drei Modulen durchgeführt (∑ 17,6 kWh bzw. 100 kg Modulmasse). Die Anordnung der Module war in einem jeden Versuch identisch: zwei Module übereinander (wobei das thermische Durchgehen mittels Heizplatten im unteren Modul initiiert wurde) und das dritte Modul horizontal neben dem unteren Modul. Auf diese Weise konnte zwischen den Modulen sowohl eine horizontale als auch eine vertikale Propagation des thermischen Durchgehens erreicht werden. Der erste Versuch wurde ohne feuerhemmendes Material zwischen den Modulen durchgeführt. In den weiteren Versuchen wurde verschiedene Isolationsmaterialien verwendet, z.B. Hohlglasgranulat in Flüssigglas, teilweise mit Zusätzen aus pyrogener Kieselsäure oder Epoxidharz, sowie PCM (phase-change material). Die Auswahl der Materialien für die Großversuche erfolgte dabei anhand umfangreicher Laborversuchsreihen auf Zellbasis an der OVGU. In allen fünf Großversuchen kam es sowohl zu einer horizontalen als auch vertikalen Propagation des thermischen Durchgehens. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Isolationsmaterials konnte jedoch mitunter eine deutliche Verlangsamung der Propagation erzielt werden.
Der Beitrag stellt einleitend die Auswirkungen beim thermischen Durchgehen sowie einige Versuche zu den Auswirkungsbetrachtungen vor. Schwerpunktmäßig werden die Ergebnisse aus den Versuchen mit den propagationshemmenden Isolationsmaterialien vorgestellt.
Wasserstoff gewinnt als Energieträger in der Prozess- und Anlagensicherheit zunehmend an Bedeutung. Die sicherheitstechnische Beurteilung zur Festlegung von Gefahrenbereichen im Rahmen der Störfallverordnung oder des Arbeitsschutzes rückt somit stärker in den Fokus. Da Wasserstoff meist unter hohem Druck transportiert und gelagert wird, ist ein zu betrachtendes Szenario die Freisetzung aus einer Leckage, einem Sicherheitsventil oder einer Ausblasleitung mit anschließender Entzündung. Die daraus resultierende impulsbehaftete Freistrahlflamme (Jet Flame) muss hinsichtlich der in die Umgebung emittierten Wärmestrahlung sowie der Flammengeometrie charakterisiert werden, um verlässliche Schutzmaßnahmen festlegen zu können. Ein Großteil der in der Literatur vorhandenen stationären Modellansätze für H2 Freistrahlflammen wurde bisher auf Basis experimenteller Daten validiert, die entweder im Labormaßstab, unter instationären Freisetzungsbedingungen oder windstillen Randbedingungen durchgeführt wurden. Um dies ganzheitlich zu betrachten, werden Realmaßstabsexperimente auf dem BAM-Testgelände für Technische Sicherheit (BAM-TTS) durchgeführt. Hierbei liegt der Fokus der vorgestellten Experimente auf stationäre Ausströmbedingungen (konstanten Massenstrom) über die Freisetzungsdauer unter realitätsnahen Freisetzungsbedingungen (Realmaßstab Versuche) und atmosphärischen Umgebungsbedingungen (Versuche im Freifeld mit Windeinfluss).
Dabei wird die Flammengeometrie mittels Infrarotkameras und die Wärmestrahlung in die Umgebung an definierten Positionen unter variierenden Freisetzungsparametern (Freisetzungsdurchmesser bis 30 mm, Druck bis 250 bar, Massenstrom bis 0,175 kg/s) systematisch erfasst. Ein zentrales Ziel der Versuche ist die Erzeugung einer (quasi-)stationären Jetflamme durch einen konstanten Massenstrom, um die Vergleichbarkeit mit stationären Freistrahlflammenmodellen zu ermöglichen. Zur besseren Vergleichbarkeit mit existierenden Literaturdaten erfolgen Referenzversuche mit Kohlenwasserstoffen (z.B. Methan). Die systematisch gewonnenen Daten dienen zur Validierung bestehender Modelle und unterstützen die Entwicklung angepasster Freistrahlflammenmodelle für Wasserstoff in Abhängigkeit von atmosphärischen (Windeinfluss) sowie fluidmechanischen (Ausströmgeschwindigkeit) Randbedingungen. Die Ergebnisse tragen somit wesentlich zur sicheren Auslegung von Wasserstoff führenden Anlagen bei.
Predictions on flammability limits (FLs) had been conducted using semi-empirical and fully empirical models, which are either limited in scope of application and/or affected by significant methodical prediction errors. Some parameters influencing the FLs are not considered in the non-comprehensive empirical models. In the present study, optimized multilayer perceptron (MLP) models are investigated to improve the accuracy of the prediction of FLs in dependance from the temperature and any inert gas admixtures. Different input features constituted by the flammability state, mixture composition, initial mixture temperature, adiabatic flame temperature, and Lewis numbers were implemented into the MLP model. Data limitation challenges were addressed using data augmentation. The best model indicated averaged deviations comparable to the respective experimental FLs determination errors. The models also indicated comparable performances in comparison to the empirical models while having a broader range of applicability. This approach seeks to improve FLs prediction accuracy and calculation time necessary, minimizing FLs determination experimental efforts.