2.1 Sicherheit von Energieträgern
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Quasi-static dispersion of dusts for the determination of lower explosion limits of hybrid mixtures
(2022)
Knowledge of explosion limiting concentration of explosible materials is necessary forthe design of explosion protection measures. Currently employed methods of testing MEC of a dust cloud or LEL of a hybrid mixture are based on arbitrary assumptionsand possess technical limitations that often lead to values of MEC/LEL, which are unrealistically low or poorly reproducible. This contribution presents an improved method for experimental determination of MEC of a combustible dust cloud or LEL of a flammable gas or hybrid mixture. The new setup operates under laminar conditions and allows a uniform suspension of dust particles in an open top acrylic glass tube. Dust concentration is measured with the help of infrared sensors installed a few centimeters above and below the ignition source. In order to evaluate the dependence of MEC on flow front velocity, MEC of lycopodium was determined at four flow velocities. The results show that the flow field intensity does not significantly influence the MEC of lycopodium for the flow ranges tested in this work. Moreover, LEL of hybrid mixtures of lycopodium and methane was also tested at flow velocities of 4.7 cm/s, 5.8 cm/s, 7 cm/s and 11 cm/s and compared with the values obtained from other sources. The results suggest that the requirement of high energy pyrotechnical igniter may be relinquished, provided that a truly homogeneous suspension of dust particles could be achieved. Moreover, the effect of relative amount of dust and gas, on the course of ignition and flame propagation in hybrid mixtures at their LEL, was studied by the help of high speed videos. For hybrid mixtures of carbonaceous dusts (like lycopodium) at their LEL, ignition occurs in the gas phase, however, flame propagation is only possible through a two-way interaction of dust and gas during the course of combustion.
The explosion regions of 1-propanol, 2-propanol, acetone and 1-butanol in air were measured in the presence of CO2, He, N2 and Ar in accordance with EN1839 method T at high temperatures and at atmospheric pressure. The experimental results show that 1-propanol, 2-propanol and acetone have very similar lower explosion limits (LELs). 1-Butanol shows a slightly wider explosion area near the LEL line. In addition, the explosion regions of all combustible/inert gas/air mixtures were calculated with the method of constant adiabatic flame temperature profiles (CAFTP), using the flame temperature profile along the explosion region boundary curve of each combustible/N2/air mixture as a reference to determine the explosion regions of combustible/inert gas/air mixtures with inert gases other than N2 at different initial temperatures. To calculate the explosion regions for systems containing He, the calculation method was modified to include the very different physical transport properties of He. Moreover, the procedure for calculating the apexes in the ternary explosion diagrams was modified. The calculation results show good agreement with the experimental results.
In this study, experimental determination and modelling investigations for the explosion regions of 1,3-dioxolane/inert gas/N2O and 1,3-dioxolane/inert gas/air mixtures were carried out and compared. The experimental measurements were carried out at 338 K and atmospheric pressure according to EN1839 method T using the inert gases N2, CO2, He and Ar. The results showed that the ratio of the lower explosion limit in N2O (LELN2O) to the lower explosion limit in air (LELair) is 0.52 and the ratio of the maximum oxygen content in air (MOCair) to the limiting oxidizer fraction in nitrous oxide (LOFN2O) is 0.36 ± 0.02 independent of the inert gas. When comparing the inert gas amount at the apex based on the pure oxidizing component, which is O2 in case of air, N2O-containing mixtures need less inert gas to reach the limiting oxidizer quantity whereas the efficiency of inert gases is in the same order. The coefficients of nitrogen equivalency however were found to differ to some extent. The explosion regions of 1,3-dioxolane/inert gas/oxidizer mixtures were modelled using the calculated adiabatic flame temperature profile (CAFTP) method as well as corrected adiabatic flame temperatures. The results indicate good agreement with experimental data for CO2, N2 and Ar- containing mixtures. The noticeable deviations that occur when He is the inert gas are due to the lacking transport data of that mixture.
In this study, 19 experiments were conducted with 25 pouch cells of NMC cathode to investigate thermal runaway and the release of gases from lithium-ion batteries (LIBs). Single cells, double cells, and a four-cell battery stack were forced to undergo thermal runaway inside an air-tight reactor vessel with a volume of 100 dm3 . The study involved two series of tests with two types of ignition sources. In the Series 1 tests, a heating plug was used to initiate thermal runaway in LIBs in the ranges of 80–89% and 90–100% SOC. In the Series 2 tests, a heating plate was used to trigger thermal runaway in LIBs in the ranges of 30–50%, 80–89%, and 90–100% SOC. Thermal runaway started at an onset temperature of 344 ± 5 K and 345 K for the Series 1 tests and from 393 ± 36 K to 487 ± 10 K for the Series 2 tests. Peak reaction temperatures ranged between 642 K and 1184 K, while the maximum pressures observed were between 1.2 bar and 7.28 bar. Thermal runaway induced explosion of the cells and lead to a rate of temperature increase greater than 10 K/s. The amounts of gases released from the LIBs were calculated from pressures and temperatures measured in the reactor.
Then, the gas composition was analyzed using a Fourier transform infrared (FTIR) spectrometer. The highest gaseous production was achieved at a range of 90–100% SOC and higher battery capacities 72 L, 1.8 L/Ah (Series 1, battery stack) and 103 L, 3.2 L/Ah (Series 2, 32 Ah cell)). Among the gases analyzed, the concentration of gaseous emissions such as C2H4 , CH4 , and C2H6 increased at a higher cell capacity in both series of tests. The study results revealed characteristic variations of thermal behavior with respect to the type of ignition source used.
Composition and Explosibility of Gas Emissions from Lithium-Ion Batteries Undergoing Thermal Runaway
(2023)
Lithium-based batteries have the potential to undergo thermal runaway (TR), during which mixtures of gases are released. The purpose of this study was to assess the explosibility of the gaseous emission from LIBs of an NMC-based cathode during thermal runaway. In the current project, a series of pouch lithium-based battery cells was exposed to abuse conditions (thermal) to study the total amount of gases released and the composition of the gas mixture. First, the battery cells were placed in a closed vessel, and the pressure and temperature rise inside the vessel were measured. In a second step, the composition of gases was analysed using a Fourier transform Infrared (FTIR) spectrometer.
We found that the amount of released gases was up to 102 ± 4 L, with a clear dependence on the battery capacity. This study showed that the concentration of gaseous emissions such as carbon monoxide (CO), methane (CH4), ethylene (C2H4), ethane (C2H6), and hydrogen cyanide (HCN) increased with higher cell capacity. Of the five studied flammable gases, the maximum concentrations of carbon monoxide (16.85 vol%), methane (7.6 vol%), and ethylene (7.86 vol%) were identified to be within their explosible range. Applying Le Chatelier’s law, a calculated lower explosion limit (LEL) of 7% in volume fraction was obtained for the gas mixture. The upper explosion limit (UEL) of the gas mixture was also found to be 31% in volume. A filter comprising pyrobubbles was used for the removal of the studied gas components released during the thermal abuse. The investigation revealed that the pyrobubbles filter was highly effect in the removal of HCN (up to 94% removal) and CO2 (up to 100% removal). Herein, we report the dependency of the method of thermal runaway trigger on the measured maximum temperature.
Lithium ion batteries (LIBs) are prone to spontaneous and subsequent fire or explosion resulting from thermal runaway. The vented gases are not only toxic and flammable, their emission can also raise the surrounding pressure rapidly. In this study, characteristic variations of explosion pressure rise, rate of explosion pressure rise and 𝐾(sT)-value have been evaluated. The characteristic 𝐾(𝑠𝑇)-values were determined to evaluate the explosive behavior of LIBs during thermal runaway. The estimated values were compared to that of other explosive substances.
Thermal runaway investigations were performed by subjecting single and double NMC pouch cells to thermal abuse condition inside an air-tight reactor vessel with an internal volume of 100 dm³. The study was divided into two series. The findings revealed the thermal runaway-induced explosion in the cells results in a rate of temperature increase greater than 10 K/s. The highest gaseous production was achieved at a range of 90 – 100% SOC and higher battery capacities 0.79 L/Wh (Series 1, 10 Ah cell) and 0.87 L/Wh (Series 2, 32 Ah cell). The investigation showed between 25 m³ and 84 m³ of explosible gas mixture could be released from electric vehicles of nominal useable electrical energy from 32 kWh up to 108 kWh at thermal runaway. It was also found that, the release of these explosible gases could undergo a secondary explosion.
Im Vortrag wird auf die aktuellen Anforderungen aus dem Gefahrgutbeförderungsrecht an Ventilschutz einschließlich Schutzkragen als integraler Bestandteil einiger Gasflaschen und LPG-Sicherheitsventilen eingegangen. Des Weiteren werden die aktuell laufenden Revisionen der Normen EN ISO 11117 für Ventilschutz und EN 13953 für LPG-Sicherheitsventile diskutiert.
Im Vortrag wird auf die rechtlichen Grundlagen der Richtlinie 2010/35/EU eingegangen. Dies umfasst die Definition von ortsbeweglichen Druckgeräten, die an sie gestellten technischen Anforderungen und die Anforderungen an deren Konformitätsbewertung. Des Weiteren wird die Anwendung der Richtlinie auf Feuerlöscher und deren Treibgasflaschen sowie die damit verbundenen Probleme in der Praxis diskutiert.
Im Vortrag werden aktuelle Entwicklungen bei verschiedenen Elektrolysetechnologien kurz vorgestellt. Dann werden für Elektrolyseanlagen spezifische Gefährdungen diskutiert, v.a. die im Zusammenhang mit den Eigenschaften der Gase Wasserstoff und Sauerstoff stehen. Dabei wird auch Bezug auf die Normung- und Regelsetzung genommen und Sicherheitskonzepte werden beispielhaft kurz vorgestellt. Abschließend wird auf Unfallereignisse im Zusammenhang mit der Elektrolyse eingegangen.
Im Projekt HySpark wird die Wirksamkeit mechanischer Schlagvorgänge beim Aufprall von unterschiedlichen Werkstoffen als Zündquelle für wasserstoffhaltige Atmosphären experimentell untersucht. Zum Einen wird die Zündwirksamkeit bei Wasserstoff/Luft-Gemischen in Abhängigkeit der Werkstoffpaarung untersucht. Dabei konnte v.a. festgestellt werden, dass bei Schlagvorgängen von Nicht-Eisen-Metallen mit verschiedenen Stahlsorten die wirksame Zündung vermieden werden kann. Jedoch können bei Schlagvorgängen mit Estrichbeton hohe Zündwahrscheinlichkeiten beobachtet werden. Zum anderen wird der Einfluss von Wasserstoffbeimischungen im Erdgasnetz auf die Zündwirksamkeit von mechanischen Schlägen untersucht. Bei Anteilen bis 25% Wasserstoff konnte bei den Versuchen kein Erhöhung der Zündwahrscheinlichkeit festgestellt werden.
In this lecture the safety related properties og hydrogen compared to other fuel gases and the explosion protection measures of avoiding flammable mixtures, avoiding ignition sources and mitigating the consequences of explosions when handling hydrogen and hydrogen mixtures are presented.
The Joint European Summer School JESS 2021 addresses these issues by offering high quality graduate level courses on selected topics of vehicle technology, innovation & business development, safe handling of hydrogen, and modelling. The course content is tailored to the needs of a diverse audience: newcomers to the field, experienced students, and young professionals working at the forefront of fuel cell and hydrogen applications.
Hinsichtlich ihrer sicherheitstechnischen Kenngrößen (STK) unterscheiden sich Wasserstoff und Erdgas zum Teil stark. Im Vortrag werden verschiedene STK von Erdgas/Wasserstoff-Gemischen im Abhängigkeit des Wasserstoffanteils vorgestellt und die Auswirkung der Beimischung von Wasserstoff zum Erdgas auf die Wirksamkeit von Explosionsschutzmaßnahmen erläutert.
In this lecture the safety related properties of hydrogen and hydrogen mixtures and explosion protection measures are shown and compared with other fuel gases. Measures for primary explosion protection (avoiding flammable mixtures), secondary explosion protection (avoiding ignition sources) and constructive explosion protection (mitigating the consequences of explosions) when handling hydrogen and hydrogen mixtures are presented.
The Joint European Summer School JESS 2022 addresses these issues by offering high quality graduate level courses on selected topics of vehicle technology, innovation & business development, safe handling of hydrogen, and modelling. The course content is tailored to the needs of a diverse audience: newcomers to the field, experienced students, and young professionals working at the forefront of fuel cell and hydrogen applications.
Wasserstoff unterscheidet sich hinsichtlich der sicherheitstechnischen Eigenschaften von anderen brennbaren Gassen, v.a. durch die sehr niedrige Mindestzündenergie und die sehr hohe Flammengeschwindigkeit. Durch Beimischung von Wasserstoff zum Erdgas ändern sich die sicherheitstechnischen Eigenschaften zum Teil in kritischer Richtung. Bis zu einem Wasserstoffanteil von 10 Mol-% im Erdgas ist aber keine wesentliche Anpassung der Maßnahmen für den Explosionsschutz erforderlich. Synthesgas ist ein weiteres Wasserstoffgemisch das in Zukunft vermutlich zunehmend relevant sein wird. Die beiden Komponenten Wasserstoff und Kohlenmonoxid haben zwar in mancher Hinsicht ähnliche sicherheitstechnische Eigenschaften unterscheiden sich aber auch sehr stark bzgl. der Mindestzündenergie und der Flammengeschwindigkeit.
Explosion and decomposition limits of flammable and chemically unstable gases were determined experimentally in a dosed autoclave with varying ignition energy up to 1000 J. The ignition source was a lightning arc caused by an exploding wire igniter as described in EN 1839 B .. In case of methane only the upper explosion limit was influenced significantly by the ignition energy, whereas the lower explosion limit was constant. In case of R32 however. it was the lower explosion limit that was influenced significantly by the ignition energy and not the upper explosion limit. A particularly strong dependency from the ignition energy was found for the decomposition limits of the chemically unstable gases in nitrogen.
Most fluorinated hydrocarbons that shall replace refrigerants with high GWP. like R134a. are flammable. For evaluating inertization measures for explosion protection. flammability of low-GWP refrigerants R1234yf, R32 and R1132a blended with carbon dioxide.
Nitrogen and argon were studied experimentally in a closed autoclave
at atmospheric conditions. Furthermore, a calculation method was
adapted to reduce the experimental costs for flammability studies on
these gas mixtures. For igniting R1234yf in the closed autoclave a
newly developed ignition system was used that allows generating
electric arcs with high ignition energy. Gas mixtures containing the
mildly flammable R1234yf and R32 could be inerted by adding much
less inert gas than mixtures containing R1132a, which is more similar
to unfluorinated hydrocarbons regarding the explosion regions. By
using the adapted model of constant adiabatic flame temperature
profiles estimating the explosion limits of fluorinated hydrocarbons
was possible with similar accuracy as for unf luorinated hydrocarbons.
Lachgas kann als Medium in Kälteanwendungen unter -50 °C eingesetzt werden. Da ein explosionsartiger Zerfall von Lachgas bei erhöhtem Druck möglich ist, sind bei entsprechenden Anwendungen Explosionsgefahren zu beachten. Im Vortrag wurden die Voraussetzungen und die Einflussgrößen für den explosionsartigen Zerfall von Lachgas, wie Temperatur, Druck, Geometrie und Zündenergie vorgestellt und diskutiert. Weiterhin wurden Versuchsergebnisse zur Untersuchung des Einflusses geringer Mengen an brennbaren Komponenten (Propan und Öl-Nebel) auf die Explosionseigenschaften vorgestellt und die Stabilisierung der Gemische durch Beimischung von Kohlendioxid diskutiert.
Ergänzend zu früheren Arbeiten. in denen die Explosionsbereiche für Brenngase aus der homologen Reihe der Alkane und Alkene berechnet worden sind, wurden Ergebnisse der Berechnungen für 1-Propanol, Aceton und Difluormethan vorgestellt. Für die Berechnung ist das Modell erweitert worden. so dass auch die Transporteigenschaften der Gasgemische berücksichtigt werden.
Weiterhin ist eine neue Methode zur Berechnung der Spitze des Explosionsbereichs implementiert worden. Die Ergebnisse zeigen. dass die Berechnung der Explosionsbereiche für Alkohole. Ketone und halogenierte Kohlenwasserstoffe mit ähnlicher Genauigkeit wie für Alkane und Alkene möglich ist.
Hydrogen differs from most other flammable gases regarding the safety related properties. Mainly the minimum ignition energy (MIE) is particularly low and the burning velocity is particularly high. Hydrogen mixtures are formed in different hydrogen applications, for example if hydrogen is added to the existing natural gas grid, if synthetic gas (mixture of CO and H2) is produced or in biogas plants. Safety related properties of hydrogen mixtures were determined experimentally and are presented in this presentation. Moreover the accuracy of estimation methods for safety related properties of hydrogen mixtures is evaluated.”
In this presentation the capabilities and different research activities at BAM in the field of hydrogen safety are outlined. A deep dive focussing the transport of hydrogen in pipelines adressing issues on material compatibility, gas quality and test methods is presented. Another deep dive is presented focussing on safety aspects of liquid hydrogen adressing issues of rapid phase transition (RPT) and Boiling liquid expanding vapour explosion (BLEVE). Finally a brief overview on other safety related research activities is given.
In this presentation the drivers for the rise of hydrogen technologies are outlined and main challenges for the market ramp-up are shown. Finally, the activities and capabilities of the competence center H2Safety@BAM are characterized and some of the current projects at BAM adressing the main challenges for hydrogen technologies are presented focussing on the hydrogen transport and infrastructure.
In this presentation the results of the Project HySpark are shown. Mechanical impacts are among the important possible ignition sources to be considered in explosion protection. Hydrogen is particularly prone to be ignited by mechanical impacts compared to natural gas. The effectivity of mechanical impacts as ignition source is dependent from different parameters. In this work the effectivity of impacts as an ignition source for hydrogen containing atmospheres was studied experimentally depending on the inhomogeneous material pairing of the impact. Moreover it was studied, how the effectivity of mechanical impacts as ignition source changes when hydrogen is added to natural gas.
In this presentation the current focus areas of the competence centre H2Safety@BAM are shown. The fields of competence include “Material properties and compatibility”, “Process and plant safety”, “Component testing, component safety and approval” as well as “Sensors, analytics and certified reference Materials. Moreover, the cross-cutting activities regarding “Education and training” and the testing possibilities and planed test facilities at the Test Site for Technical Safety (BAM TTS) are presented.
In dem hier vorgestellten Projekt wurde die Wirksamkeit mechanischer Schläge als Zündquelle für wasserstoffhaltige Atmosphären in Abhängigkeit von der inhomogenen Materialpaarung systematisch untersucht. Dabei wurden praxisrelevante Materialien wie Edelstahl, niedrig legierter Stahl, Beton und Nichteisenmetalle betrachtet. Es wurde festgestellt, dass eine Zündung vermieden werden kann, wenn Nichteisenmetalle in Kombination mit verschiedenen metallischen Werkstoffen verwendet werden. In Kombination mit Beton muss die kinetische Schlagenergie auch mit Nichteisenmetallen weiter begrenzt werden, um eine wirksame Entzündung zu vermeiden. Außerdem wurde untersucht, wie sich die Beimischung von Wasserstoff zu Erdgas auf die Wirksamkeit mechanischer Stöße als Zündquelle auswirkt. Bei Beimischungen von bis zu 25 % Wasserstoff und sogar mehr konnte kein Einfluss festgestellt werden. Die Ergebnisse sind vor allem relevant im Zusammenhang mit der Umwidmung des Erdgasnetzes oder der Beimischung von Wasserstoff im Erdgasnetzes.
This is a digital lecture on Explosion Protection for Hydrogen Applications. It was designed in context with the project "KICstartH2 Accelerating Sustainable Hydrogen Uptake Through Innovation and Education" and integrated in a teaching module of the University of Birmingham. It is divided in five parts: Introduction, Avoiding Explosive Mixtures, Avoiding Ignition Sources, Mitigation of Consequences and Summary & Comparison.
Die Explosionsbereiche für Dreistoffsysteme aus Brennstoff Inertgas und Luft wurden nach dem Modell der konstanten adiabatischen Flammentemperaturprofile berechnet. Für die Parametrisierung des halbempirischen Modells muss der Explosionsbereich für ein bestimmtes Dreistoffsystem aus Brennstoff, Inertgas und Luft bekannt sein. Dann lassen sich Explosionsbereiche desselben Brennstoffs mit einem beliebigen Inertgas und bei einer beliebigen Temperatur berechnen. Ergänzend zu früheren Arbeiten, in denen die Explosionsbereiche für Brenngase aus der homologen Reihe der Alkane und Alkene berechnet worden sind, wurden nun die Berechnungen für 1-Propanol, Aceton und Difluormethan durchgeführt. Als Inertgase wurden neben Stickstoff und Kohlendioxid auch die Edelgase Argon und Helium berücksichtigt.
Für die Berechnung der Explosionsbereiche in Systemen mit Helium, ist das Modell erweitert worden, so dass auch die Transporteigenschaften (d.h. Wärmeleitfähigkeit, Diffusionskoeffizient) der Komponenten berücksichtigt werden. Weiterhin ist eine Möglichkeit zur praxisnahen Berechnung der Spitze des Explosionsbereichs implementiert worden. Die Ergebnisse zeigen insgesamt, dass die Berechnung der Explosionsbereiche für Alkohole, Ketone und halogenierte Kohlenwasserstoffe mit ähnlicher Genauigkeit wie für Alkane und Alkene möglich ist. Die vorgenommenen Modifikationen sind geeignet, um auch eine Berechnung für Gasgemische mit Helium durchzuführen, dessen starke inertisierende Wirkung im Vergleich zu den Inertgasen
Argon oder Stickstoff vor allem auf den stark unterschiedlichen Transporteigenschaften beruht.
Die Explosionsbereiche für Dreistoffsysteme aus Brennstoff, Inertgas und Luft wurden nach dem Modell der konstanten adiabatischen Flammentemperaturprofile berechnet. Für die Parametrisierung des halbempirischen Modells muss der Explosionsbereich für ein bestimmtes Dreistoffsystem aus Brennstoff, Inertgas und Luft bekannt sein. Dann lassen sich Explosionsbereiche desselben Brennstoffs mit einem beliebigen Inertgas und bei einer beliebigen Temperatur berechnen. Ergänzend zu früheren Arbeiten, in denen die Explosionsbereiche für Brenngase aus der homologen Reihe der Alkane und Alkene berechnet worden sind, wurden nun die Berechnungen für 1-Propanol, Aceton und Difluormethan durchgeführt. Als Inertgase wurden neben Stickstoff und Kohlendioxid auch die Edelgase Argon und Helium berücksichtigt. Für die Berechnung der Explosionsbereiche in Systemen mit Helium, ist das Modell erweitert worden, so dass auch die Transporteigenschaften (d.h. Wärmeleitfähigkeit, Diffusionskoeffizient) der Komponenten berücksichtigt werden. Weiterhin ist eine Möglichkeit zur praxisnahen Berechnung der Spitze des Explosionsbereichs implementiert worden. Die Ergebnisse zeigen insgesamt, dass die Berechnung der Explosionsbereiche für Alkohole, Ketone und halogenierte Kohlenwasserstoffe mit ähnlicher Genauigkeit wie für Alkane und Alkene möglich ist. Die vorgenommenen Modifikationen sind geeignet, um auch eine Berechnung für Gasgemische mit Helium durchzuführen, dessen starke inertisierende Wirkung im Vergleich zu den Inertgasen Argon oder Stickstoff vor allem auf den stark unterschiedlichen Transporteigenschaften beruht. Für die Analyse der physikalischen Vorgänge, die zur Zündung führen, ist eine spezielle Kontaktvorrichtung entwickelt worden. Damit können die Entladungen > 200 µm Länge und mit einer Dauer von > 500 µs an einer bestimmbaren Position erzeugt und untersucht werden.
Für die Entladungen an der Zündgrenze bei niedrigen Spannungs- und Stromwerten (max. 30 V, 30 bis 100 mA Konstantstrombegrenzung) sind die Bedingung für die Erzeugung ermittelt worden. Das sind die Rauheit auf der Kontaktoberfläche, die langsame Kontaktöffnungsbewegung und eine geeignet regelnde Spannungsquelle mit Konstantstrombegrenzung. Damit sind für diese Entladungen an der Zündgrenze die Strom-Spannungs-Kennlinie, das Spektrum mit dominierenden Linien von Cadmium-Metalldampf sowie die Temperaturverläufe ermittelt worden.
Mechanical friction, impact or abrasion is one of the ignition sources that must be avoided in hazardous zones with explosive atmospheres. The effectiveness of mechanical impacts as ignition source is dependent from several parameters including the minimum ignition energy of the explosive atmosphere, the properties of the material pairing, the kinetic impact energy or the impact velocity. By now there is no standard procedure to determine the effectiveness of mechanical impacts as ignition source. In this work the effectiveness of mechanical impacts with defined and reproducible kinetic impact energy as ignition source for hydrogen containing atmospheres was studied systematically in dependence from the inhomogeneous material pairing considering materials with practical relevance like stainless steel, low alloy steel, concrete, and non-iron-metals. It was found that ignition can be avoided, if non-iron metals are used in combination with different metallic materials, but in combination with concrete even the impact of non-iron-metals can be an effective ignition source if the kinetic impact energy is not further limited. Moreover, the consequence of hydrogen admixture to natural gas on the effectiveness of mechanical impacts as ignition source was studied. In many cases ignition of atmospheres containing natural gas by mechanical impacts is rather unlikely. No influence could be observed for admixtures up to 25% hydrogen and even more. The results are mainly relevant in the context of repurposing the natural gas grid or adding hydrogen to
the natural gas grid.
Im Zuge der Energiewende finden Wasserstofftechnologien in der industriellen Praxis und im öffentlichen Raum immer mehr Anwendung. Beim Einsatz von Wasserstoff als Ersatz für andere fossile Energieträger wie Erdgas müssen u.a. Explosionsschutzmaßnahmen überprüft und angepasst werden. Eine Art von Explosionsschutzmaßnahmen ist die Vermeidung von Zündquellen. Gemäß den einschlägigen Regelwerken ist die Bildung von Funken oder heißen Aufschlagstellen beim mechanischen Schlag eine mögliche Zündquelle, die vor allem beim Wasserstoff berücksichtigt werden muss. Die Zündwirksamkeit ist dabei u.a. stark von der Werkstoffpaarung und der kinetischen Schlagenergie abhängig. Der Einsatz von funkenarmen Werkzeugen aus schwer oxidierbaren Nicht-Eisen-Metallen in explosionsgefährdeten Bereichen kann z.B. eine Maßnahme sein, um diese Zündquelle zu vermeiden und wird als solche in den Regelwerken benannt. Es gibt aber kaum Quellen, die dabei helfen die Zündwirksamkeit bei Schlägen mit heterogenen Materialpaarungen einzuschätzen. In dieser Arbeit wurde zu diesem Zweck die Zündwirksamkeit von mechanischen Schlägen mit unterschiedlichen, auch nicht-metallischen Schlagpartnern in wasserstoffhaltigen Atmosphären systematisch untersucht.
The EU F-Gas Regulation grants exceptions from the GWP-related placing on the market prohibition for stationary refrigeration equipment for applications below -50 °C. Nonetheless, non-flammable refrigerants, which can be used for that temperature range, become increasingly expensive and rare inside the EU due to the phase down of HFCs under the regulation. Flammable alternatives based on methane, ethane and ethylene are available, but are not viable for all applications due to their flammability. Carbon dioxide cannot be used for applications below -50 °C due to CO 2 ’s triple point at -56 °C. Nitrous oxide with a triple point at -92 °C seems to be an alternative. However, possible exothermal decomposition of N 2 O calls for additional measures in order to be able to operate such systems safely. Two low-temperature systems have been developed, built and successfully operated at evaporation temperatures down to - 80 °C with mixtures of N 2 O and CO 2 and different lubricants at ILK and Karlsruhe University of Applied Sciences. The units achieved similar energy efficiency as the standard HFC-equipment used for freeze drying. Possible decomposition of N 2 O could successfully be supressed by various measures.
Explosion and decomposition limits of flammable and chemically unstable gases were determined experimentally in a closed autoclave with an ignition energy higher than the standard 10 J a 20 J. The ignition source was a lightning arc caused by an exploding wire igniter as described in EN 1839 B. With a newly developed ignition system a graded ignition energy between 3 J and 1000 J was generated. Different types of gases were studied with this ignition system: methane as a typical fuel gas and reference gas for some standards for explosion limit determination, the refrigerant R32 (difluoromethane) as a mildly flammable gas with low burning velocity and high minimum ignition energy compared with methane as well as the chemical unstable gases acetylene, nitrous oxide and ethylene oxide, which can decompose explosively in the absence of air or other oxidizers. It was found that the influence of strong ignition sources on explosion and decomposition limits can be very different for different systems. In case of methane only the upper explosion limit was influenced significantly by the ignition energy, whereas the lower explosion limit was constant. In a standard test vessel with an inner volume of 14 dm3 it was difficult to quantify the upper explosion limit of methane exactly with the strong ignition source, because the explosion pressure did not increase abruptly near the explosion limit, but steadily over a large concentration range. Probably a larger explosion vessel is more appropriate in this case. In case of R32 however, it was the lower explosion limit that was influenced significantly by the ignition energy and not the upper explosion limit. A particularly strong dependency from the ignition energy was found for the decomposition limits of the chemically unstable gases in nitrogen. Here special regard is necessary in practical applications, if uncommonly strong ignition sources cannot be excluded.
Most fluorinated hydrocarbons that shall replace refrigerants with high GWP, like R134a, are flammable. For evaluating inertization measures for explosion protection, flammability of low-GWP refrigerants R1234yf, R32 and R1132a blended with carbon dioxide, nitrogen and argon were studied experimentally in a closed autoclave at atmospheric conditions. Furthermore, a calculation method was adapted to reduce the experimental costs for flammability studies on these gas mixtures. For igniting R1234yf in the closed autoclave a newly developed ignition system was used that allows generating electric arcs with high ignition energy. Gas mixtures containing the mildly flammable R1234yf and R32 could be inerted by adding much less inert gas than mixtures containing R1132a, which is more similar to unfluorinated hydrocarbons regarding the explosion regions. By using the adapted model of constant adiabatic flame temperature profiles estimating the explosion limits of fluorinated hydrocarbons was possible with similar accuracy as for unfluorinated hydrocarbons.
Keywords: Explosion Protection, Inertization, Flammability, HFOs, HFC., R1234yf, R32, R1132a
For evaluation of explosion scenarios in closed systems involving the mildly flammable refrigerants R1234yf, R1234ze and R32 dependent on the ignition energy, ignitions were carried out in a closed autoclave. A newly developed ignition system was used, which allows generating electric arcs with defined energies in a range between 3 J and 1000 J. The lower explosion limit of R32 decreases with increasing ignition energy. R32-explosions can be more severe than explosions involving highly flammable substances.
However, in case of R1234yf and R1234ze, the ignition energy had to be increased to more than 100 J and more than 500 J to detect explosions in the closed system at all, although flame Propagation phenomena can already be observed if these substances are ignited with much weaker ignition sources in open glass tubes. The explosions were very mild with these substances.
Acoustic emission testing
(2018)
Four-point bending tests were carried out to analyze the acoustic characteristics of damage development in pipe segments made of steel, grade S355J2H, being 2.5 m long with an outer diameter of 168 mm and 16 mm wall thickness. To induce stable crack growth, the pipe segments were pre-damaged by a 90°circumferential notch in the middle of the pipe length. While the pipe was quasi-statically loaded, microscopic damage and plastic deformation accumulated to form a macroscopic crack that grew through the pipe wall until leakage. For acoustic emission (AE) monitoring, four broadband sensors of type VS 900 M were mounted close to the notch. Continuous AE signal detection was performed by the non-threshold method. Advantages and disadvantages of the non-threshold AE monitoring compared to a commonly employed method analyzing only signals exceeding a predefined threshold are discussed. The results of AE analysis are compared to additional information on the crack growth detected by the direct current potential drop (DCPD) technique. These studies were carried out in the course of the interdisciplinary research project AGIFAMOR, Ageing infrastructures - distributed acoustic monitoring of pipes at BAM.
Feasibility study: Continuous monitoring of pipes using distributed acoustic and fibre optic sensors
(2018)
The feasibility study „AGIFAMOR. Ageing infrastructures – distributed acoustic monitoring of pipes” is an interdisciplinary research project at BAM internally financed from 2015 to 2018. Therefore, the quite young fibre optic sensing technology of distributed acoustic sensing (DAS) was investigated to possibly be extended towards a global condition monitoring system for pipelines operating in real time.
DAS is a highly dynamic fibre optic sensing technology based on the method of coherent optical time domain reflectometry (C-OTDR). DAS allows capturing strain changes in the range of kHz. For the experimental work, the most suitable application yielding an optimum sensitivity was proven by wrapping a standard single-mode silica fibre around the pipe.
The DAS sensitivity was investigated regarding the detection of 1) incidents that initiate propagation of acoustic waves in the pipe wall, 2) changes inside the pipeline causing altered flow and 3) damage development in the pipe wall. Therefore, several testing setups in laboratory as well as in real scale were realized. For comparison purposes, experiments were accompanied by acoustic emission analyses and by measurements with accelerometers.
DAS was found to be very sensitive to gas ignition and its propagation across the pipe. Furthermore, the ability of DAS to detect and localize acoustic signals associated with pipeline leakage was demonstrated. The detection of crack formation and propagation within the pipe wall by means of DAS was studied during bending tests on several pipe segments, but was not proven so far with certainty. As expected, these studies turned out as the most difficult challenge due to the random occurrence and transient nature of microscopic damage phenomena.
Um ein tieferes Verständnis über die Schallemission bei der Entstehung und Ausbreitung von Rissen in Stahlrohrleitungen zu erlangen, wurde ein Stahlrohr der Güte S355J2H im Vierpunkt-Biegeversuch quasistatisch bis hin zum Wanddurchbruch (Leckage) belastet und mittels Schallemissionsmessung und Gleichstrompotentialmessung überwacht. Das Rohrsegment wurde durch einen 90°- Außenumfangskerb in der Mitte der Rohrlänge definiert vorgeschädigt, um davon ausgehend ein stabiles Risswachstum zu induzieren und die Analyse von Schallemission aus Rissereignissen, die am Kerb eintraten, sicherzustellen. Für die Schallemissionsmessung wurden vier Breitbandsensoren max. 105 mm vom Kerb entfernt montiert. Die Signalaufzeichnung erfolgte kontinuierlich und schwellwertunabhängig. Für die Gleichstrompotentialmessung wurde ein Gleichstrom von 300 A eingeleitet und der Potentialabfall über dem Kerb mit fünf Sonden entlang des Kerbs gemessen. Beide Messverfahren identifizieren die Rissinitiierung sowie Veränderungen im Risswachstum. Die detektierten Schallemissionsereignisse werden, unter Berücksichtigung spektraler Eigenschaften, mit fortschreitender Belastung und Rissentwicklung analysiert. Diese Studien wurden im Rahmen des interdisziplinären Forschungsprojekts AGIFAMOR, Aging infrastructure - Faseroptisches Monitoring von Rohrleitungen, an der BAM durchgeführt.
The feasibility study „AGIFAMOR. Ageing infrastructures – distributed acoustic monitoring of pipes” is an interdisciplinary research project at BAM internally financed from 2015 to 2018. Therefore, the quite young fibre optic sensing technology of distributed acoustic sensing (DAS) was investigated to possibly be extended towards a global condition monitoring system for pipelines operating in real time.
DAS is a highly dynamic fibre optic sensing technology based on the method of coherent optical time domain reflectometry (C-OTDR). DAS allows capturing strain changes in the range of kHz. For the experimental work, the most suitable application yielding an optimum sensitivity was proven by wrapping a standard single-mode silica fibre around the pipe.
The DAS sensitivity was investigated regarding the detection of 1) incidents that initiate propagation of acoustic waves in the pipe wall, 2) changes inside the pipeline causing altered flow and 3) damage development in the pipe wall. Therefore, several testing setups in laboratory as well as in real scale were realized. For comparison purposes, experiments were accompanied by acoustic emission analyses and by measurements with accelerometers.
DAS was found to be very sensitive to gas ignition and its propagation across the pipe. Furthermore, the ability of DAS to detect and localize acoustic signals associated with pipeline leakage was demonstrated. The detection of crack formation and propagation within the pipe wall by means of DAS was studied during bending tests on several pipe segments, but was not proven so far with certainty. As expected, these studies turned out as the most difficult challenge due to the random occurrence and transient nature of microscopic damage phenomena.
Schäden an Rohrleitungen können zu hohen Umweltbelastungen und wirtschaftlichen Schäden führen. Um die dauerhafte Verfügbarkeit der Infrastruktur zu gewährleisten, wird im Rahmen des Projekts AGIFAMOR an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) erprobt, inwiefern das Verfahren der verteilten akustischen faseroptischen Sensorik (Distributed acoustic sensing – DAS) zur kontinuierlichen Überwachung von Rohrleitungen eingesetzt werden kann. Neben der DAS werden erprobte Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung wie Schallemissionsanalyse (SEA) und Beschleunigungssensoren eingesetzt. An dieser Stelle soll detailliert auf die Hauptschadensursachen an Rohrleitungen, den Versuchsstand zur mechanischen Belastung von Rohren sowie die Möglichkeiten zu Untersuchungen im Realmaßstab eingegangen werden.
Schäden an Rohrleitungen können zu hohen Umweltbelastungen und wirtschaftlichen Schäden führen. Um die dauerhafte Verfügbarkeit der Infrastruktur zu gewährleisten, wird im Rahmen des Projekts AGIFAMOR an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) erprobt, inwiefern das Verfahren der verteilten akustischen faseroptischen Sensorik (Distributed acoustic sensing - DAS) zur kontinuierlichen Überwachung von Rohrleitungen verwendet werden kann. Neben der DAS werden erprobte Verfahren der zerstörungsfreien
Prüfung wie Schallemissionsanalyse (SEA) und Beschleunigungssensoren eingesetzt. An dieser Stelle soll detailliert auf die unterschiedlichen Messverfahren und deren spezifischen Einsatz im Rahmen des Projektes eingegangen werden.
A steel pipeline segment of 2.5 m length was subjected to quasi-static four-point bending load in three steps for studying the initial cracking and damage accumulation based on the Acoustic Emission (AE) technique and by the direct current potential drop (DCPD) technique. For the latter, a new post-test analysis method was established.
AE is found more sensitive to crack initiation than DCPD. Formation of mesoscopic and macroscopic cracks as well as their closure and the resulting friction generate weighted peak frequencies below 400 kHz, whereas microscopic cracking produces AE with broad band spectra identifiable by weighted peak frequencies above 400 kHz. Critical states alike the maximum load level and the leak opening were accompanied by peak amplitudes above 85 dBAE. This rather fundamental study provides a data base for possibly developing advanced strategies of detection and alarm systems based on acoustic monitoring of pipelines, or at least, steel structures.
Four-point bending tests were carried out to analyze the acoustic characteristics of damage development in pipe segments made of steel, grade S355J2H, being 2.5 m long with an outer diameter of 168 mm and 16 mm wall thickness. To induce stable crack growth, the pipe segments were pre-damaged by a 90°circumferential notch in the middle of the pipe length. While the pipe was quasi-statically loaded, microscopic damage and plastic deformation accumulated to form a macroscopic crack that grew through the pipe wall until leakage. For acoustic emission (AE) monitoring, four broadband sensors of type VS 900 M were mounted close to the notch. Continuous AE signal detection was performed by the non-threshold method. Advantages and disadvantages of the non-threshold AE monitoring compared to a commonly employed method analyzing only signals exceeding a predefined threshold are discussed. The results of AE analysis are compared to additional information on the crack growth detected by the direct current potential drop (DCPD) technique. These studies were carried out in the course of the interdisciplinary research project AGIFAMOR, Ageing infrastructures - distributed acoustic monitoring of pipes at BAM.
Um ein tieferes Verständnis über die Schallemission bei der Entstehung und Ausbreitung von Rissen in Stahlrohrleitungen zu erlangen, wurde ein Stahlrohr der Güte S355J2H im Vierpunkt-Biegeversuch quasistatisch bis hin zum Wanddurchbruch (Leckage) belastet und mittels Schallemissionsmessung und Gleichstrompotentialmessung überwacht. Das Rohrsegment wurde durch einen 90°- Außenumfangskerb in der Mitte der Rohrlänge definiert vorgeschädigt, um davon ausgehend ein stabiles Risswachstum zu induzieren und die Analyse von Schallemission aus Rissereignissen, die am Kerb eintraten, sicherzustellen. Für die Schallemissionsmessung wurden vier Breitbandsensoren max. 105 mm vom Kerb entfernt montiert. Die Signalaufzeichnung erfolgte kontinuierlich und schwellwertunabhängig. Für die Gleichstrompotentialmessung wurde ein Gleichstrom von 300 A eingeleitet und der Potentialabfall über dem Kerb mit fünf Sonden entlang des Kerbs gemessen. Beide Messverfahren identifizieren die Rissinitiierung sowie Veränderungen im Risswachstum. Die detektierten Schallemissionsereignisse werden, unter Berücksichtigung spektraler Eigenschaften, mit fortschreitender Belastung und Rissentwicklung analysiert. Diese Studien wurden im Rahmen des interdisziplinären Forschungsprojekts AGIFAMOR, Aging infrastructure - Faseroptisches Monitoring von Rohrleitungen, an der BAM durchgeführt.
Sicherheitstechnische Untersuchungen von Wasserstoff Freistrahlflammen bei Hochdruck im Realmaßstab
(2024)
Wasserstoff als Energieträger gewinnt zunehmend an Bedeutung. Die Untersuchung von Störfallauswirkungen mit Wasserstoff rückt somit stärker in den Fokus. Da Wasserstoff meist unter Druck gelagert und transportiert wird, ist ein zu betrachtendes Szenario die Freisetzung aus einer Leckage mit anschließender Zündung. Die daraus resultierende Freistrahlflamme (Jet Flame) muss hinsichtlich der in die Umgebung emittierten Wärmestrahlung charakterisiert werden. In der Literatur existieren bereits verschiedene Modelle, welche jedoch vermehrt auf Daten aus Kohlenwasserstoffflammen mit geringem Impuls basieren. Zur Überprüfung dieser Modelle wird im Zuge des BAM internen H2 Jet Flame Projektes die sicherheitstechnische Untersuchung von impulsbehafteten Wasserstoff Freistrahlflammen vorgenommen. Hierfür finden Versuche im Realmaßstab auf dem Testgelände Technische Sicherheit der BAM (BAM-TTS) statt. Gegenstand der Untersuchungen ist die Beurteilung der Auswirkungen von realistischen Freisetzungsszenarien hinsichtlich der Flammengeometrie und der freigesetzten Wärmestrahlung. Dabei werden Parameter wie Freisetzungswinkel, Leckagedurchmesser (z.Zt. 1 mm bis 30 mm), Druck (z.Zt. bis max. 250 bar) und Massenstrom (bis max. 0,5 kg/s) variiert. Zusätzlich können auch Einflüsse wie Art der Zündung, Zündort sowie Zündung mit zeitlichem Verzug untersucht werden. Gewonnene Erkenntnisse werden mit den Ergebnissen bereits vorhandener Modelle verglichen und diese im Bedarfsfall weiterentwickelt. Insbesondere wird der Fokus auf die Modellierung der freigesetzten Wärmestrahlung von Wasserstoffflammen gelegt. Herausforderung dabei stellt die IR-Vermessung und Modellierung von Sichtmodellen der Flammen dar. Die Visualisierung der Flammengeometrie wird mit Hilfe mehrerer Infrarot Kamerasystemen (aus mindestens zwei Blickwinkeln) vorgenommen.
Bisherige Messungen, die in der Literatur zu finden sind, basieren meist auf instationären Auströmbedingungen. Der hier verwendete Versuchsaufbau ermöglicht ein stationäres Ausströmen für mehrere Minuten und somit eine direkte Vergleichbarkeit mit den existierenden (stationären) Modellen.
Weiterhin ist der Versuchsstand umrüstbar für Vergleichsmessungen mit Kohlenwasserstoffen (Methan etc.) sowie Mischungen aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen.
In order to reduce the human footprint of CO2 emissions and limit global warming effects hydrogen combustion is becoming increasingly important. To enable fuel cells and gas turbines to operates this carbon free fuel, unprecedently large amounts of hydrogen need to be produced and safely transported and stored. The investigation of the effects of accidents involving hydrogen is therefore becoming of outmost importance. Since hydrogen is usually stored and transported under pressure, one scenario to be considered is the release of hydrogen from a leakage with subsequent ignition. The resulting jet flame must be characterized with respect to the thermal radiation emitted into the environment to define safety regulations. Various models that characterize the resulting flame shape and radiation already exist in the literature, but these are mainly based on empirical data from hydrocarbon jet flames.[1-4] To verify these models, a H2 Jet Flame project conducted at BAM, is investigating the safety of momentum driven hydrogen jet flames. For this purpose, large-scale tests are carried out at the Test Site Technical Safety (BAM-TTS). The object of the investigations is to assess the effects of real scale release scenarios regarding flame geometry and the thermal radiation emitted. Parameters such as release angle, leakage diameter (currently 1 mm to 10 mm), pressure (currently up to max. 250 bar) and mass flow (up to max. 0.5 kg/s) are varied. In addition, influences such as the type of ignition, ignition location as well as delayed ignition can also be investigated. The gained knowledge will be compared with existing jet flame models, to validate these and identify a possible need for further development. In particular, the focus will be laid on the thermal radiation of hydrogen flames. The challenge here is the visualization and characterization of the flame geometry in an open environment. Visualization is performed using infrared (IR) camera systems from at least two viewing angles. Measurements of the heat radiation of jet flames, which can be found in the literature, are mostly based on unsteady outflow conditions.The experimental setup used here allows for the generation of a steady-state outflow for several minutes and thus a direct comparability with existing (steady-state) models. Furthermore, the tests can be carried out for comparative measurements with hydrocarbons (methane, etc.) as well as mixtures of hydrogen and hydrocarbons.