2.1 Sicherheit von Energieträgern
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Organisationseinheit der BAM
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 10 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.
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.
In einer Reihe von Experimenten wurden die möglichen Folgen der Freisetzung von verflüssigtem Wasserstoff (LH2) auf, bzw. unter Wasser untersucht. Die Experimente zielten darauf ab, eine unbeabsichtigte Freisetzung von LH2 (z.B. durch Schlauchabriss) insbesondere bei der Betankung eines Schiffes zu simulieren. Für verflüssigtes Erdgas (LNG) wurden dabei sog. RPT’s (rapid phase transition) nachgewiesen, bei denen die spontane Verdampfung relevante Druckwellen erzeugt. Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass RPTs auch im Falle von LH2 möglich sind. Die Versuche wurden auf dem Testareal Wasserstoffsicherheit auf dem Testgelände Technische Sicherheit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM-TTS) in Horstwalde, im Rahmen einer Forschungskooperation zwischen der BAM und Gexcon im Rahmen des SH2IFT-Programms durchgeführt. Die LH2-Freisetzungen erfolgten direkt aus einem LH2-Tanklastwagen über eine lange, flexible, vakuumisolierte Transferleitung. Während die Freisetzung oberhalb und unterhalb der Wasseroberfläche jeweils vertikal orientiert war, wurde bei der Unterwasserfreisetzung zusätzlich eine horizontale Ausströmung, parallel zur Wasseroberfläche realisiert. Zur Bestimmung des Massenstromes, wurde ein Wägesystem unter dem Tankwagen eingesetzt. Spezielle Drucksensoren wurden verwendet, um die durch die Freisetzungsvorgänge erzeugten Stoßwellen sowohl im Wasser als auch in der Luft zu messen. Die Gaskonzentrationen über dem Wasserbecken wurden an verschiedenen Positionen gemessen. Hochgeschwindigkeits-, Infrarot- (IR) und normale Kameras wurden eingesetzt, um die Phänomenologie der Freisetzung aufzuzeichnen und das Verhalten der Gaswolke im Zeitverlauf zu verfolgen. Neben den fest installierten Systemen an Land, kamen auch Unterwasserkameras sowie eine Drohne mit Normal- und IR-Kameras zum Einsatz.
Zwei Wetterstationen wurden zur Messung von Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Temperatur und Luftfeuchtigkeit während aller durchgeführten Tests eingesetzt. Des Weiteren kamen Bolometer zur Wärmestrahlungsmessung zum Einsatz. Zwar führten die Freisetzung zu einer hochturbulenten LH2/Wasser Mischzone, jedoch zu keinen nennenswerten Überdrücken durch RPT. Im Gegensatz dazu wurde unerwartet, aber reproduzierbar, eine Zündung der Gaswolke in freier Luft in einiger Entfernung von den Instrumenten und dem Ort der Freisetzung beobachtet. Die daraus resultierenden Gaswolkenexplosionen führten zu relevanten Überdrücken und zur Wärmeabstrahlung in die Umgebung.
Large-scale experiments have been performed to investigate the possible consequences of realistic amounts of liquified hydrogen (LH2) encountering water. The experiments aimed at simulating an accidental release of LH2 during especially the fuelling of a ship. For liquified natural gas (LNG) it has been demonstrated that when spilled onto water the evaporation rate can be that high that physical explosions occur which are referred as rapid phase transitions (RPTs). It cannot be excluded that RPTs are also possible in the case of LH2. The tests were performed in a 10 m x 10 m x 1.5 m basin filled with water, at the Test Site Technical Safety of the Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) in Horstwalde, Germany within a research cooperation between BAM and Gexcon as part of
the SH2IFT program. LH2 releases were established releasing directly from a trailer carrying LH2 through a long flexible double vacuum insulated transfer line. The releases occurred from a height of 50 cm above and 30 cm under the water surface both pointing downwards and 30 cm under the water surface pointing along the water surface too. The release rate was determined based on the weight loss rate of the road tanker which was placed onto load cells. Special blast pressure sensors were used to measure the shock waves generated by the release processes both in the water and in the air. At several locations the gas concentration was measured. Heat radiation was measured at 3 distances from the point of release. High speed,
Infrared (IR) and normal cameras were used to record events and to follow the gas cloud behaviour in time. This includes cameras mounted on a UAV and underwater cameras. Two weather stations were used to measure wind speed, wind direction, temperature and humidity during all tests performed. All investigated release configurations resulted in a very chaotic LH2-water mixing zone, causing considerable evaporation but only minor over pressures.
The main phenomenon observed was an ignition of the released gas cloud, resulting in significant blast wave overpressures and heat radiation to the surroundings. The location of the ignition occurred in free air at some distance from the instrumentation and release location.
Large Scale Experiments have been performed to determine whether a storage vessel containing liquid hydrogen (LH2) and caught in a fire engulfing the vessel can result in a BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion) and if so its consequences. The tests were performed at the Test Site Technical Safety of the Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) in Germany at the Hydrogen Test Area (H2TA) within a research cooperation between BAM and Gexcon as part of the SH2IFT program. 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-system 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 at the inner and outer vessel shell. The pressure inside the inner vessel 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 up to three locations. Further several cameras were used to monitor the events: normal cameras, infrared (IR)-cameras, high-speed cameras also on board of an UAV. 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 wave.
Bei Störfallauswirkungsbetrachtungen an Biogasanlagen muss das Versagen der Membranabdeckung des Fermenters untersucht werden.
Hierbei sind insbesondere Risse in derselben hinsichtlich des austretenden Massenstromes an Biogas zu bewerten, ebenso wie der durch eine Zündung resultierende Flammenstrahl. Zurzeit existieren für Membranabdeckungen jedoch keine Erkenntnisse zu realistischen Ausflussziffern für die Massenstromberechnung. Im Leitfaden KAS-32 wird für Störfallauswirkungsbetrachtungen für die Berechnung des austretenden Massenstromes eine Ausflussziffer von 1 und eine „Leckfläche" von 0,6 m2 vorgegeben. Die Anwendbarkeit verfügbarer Modelle zur Berechnung des Flammenstrahls ist bisher ebenso ungeklärt. Um diese Fragestellungen zu untersuchen, wurden in der BAM Versuche zur Bestimmung der Ausflussziffer, sowie der Zündung des austretenden Gases an einem 80 m3 Sack zur Speicherung von Biogas durchgeführt, der aus demselben Material besteht wie die in Biogasanlagen verwendeten Membranabdeckungen.
Es wurden insgesamt 57 Einzelversuche zum Versagen von Druckgasbehältern durchgeführt. Untersucht wurden dabei 11-kg-Propangasflaschen, PKW-Radmuldentanks für LPG sowie CNG-Tanks vom Typ III (Compositetanks mit Aluminiumliner) und Typ IV (Compositetanks mit Polymerliner). Mit 18 hydraulischen Berstversuchen wurde das Versagensverhalten unter kalten Bedingungen charakterisiert. In 39 Unterfeuerungsversuchen mit den gefüllten LPG- und CNG-Tanks, davon 36 mit Tanks ohne Sicherheitseinrichtung, wurde das Behälterversagen durch Brandbeaufschlagung untersucht. Neben verschiedenen Behältermanteltemperaturen und dem Behälterinnendruck wurde auch die Temperatur des gespeicherten Mediums dokumentiert. Dadurch war es möglich, genau zu dokumen-tieren, unter welchen Bedingungen und bei welchem Zustand der Behälter versagt hat. In einem Großteil der Unterfeuerungsversuche mit Behältern ohne Sicherheitseinrichtungen kam es zur Bildung eines Feuerballs, einer massiven Druck- und Temperaturwirkung auf den Nahbereich sowie einer Vielzahl von Fragmenten im Nah- und Fernbereich. In einer Entfernung von l = 7 m wurden Überdrücke von bis zu p = 0,41 bar gemessen. In 30 Unterfeuerungsversuchen kam es zur Fragmentierung des Behälters. Dabei konnten 159 Fragmente mit Wurfweite und Masse dokumentiert werden. Die dabei maximal festgestellte Wurfweite eines Fragments lag bei
l = 311 m.
Es wurden insgesamt 57 Einzelversuche zum Versagen von Druckgasbehältern durchgeführt. Untersucht wurden dabei 11-kg-Propangasflaschen, PKW-Radmuldentanks für LPG- sowie CNG-Tanks vom Typ III (Compositetanks mit Aluminiumliner) und Typ IV (Compositetanks mit Polymerliner). Mit 18 hydraulischen Berstversuchen wurde das Versagensverhalten unter kalten Bedingungen charakterisiert. In 39 Unterfeuerungsversuchen mit den gefüllten LPG- und CNG-Tanks, davon 36 mit Tanks ohne Sicherheitseinrichtung, wurde das Behälter¬ver¬sagen durch Brandbeaufschlagung untersucht. Neben verschiedenen Behältermantel¬temperaturen und dem Behälterinnendruck wurde auch die Temperatur des gespeicherten Mediums dokumentiert. Dadurch war es möglich, genau zu dokumentieren, unter welchen Bedingungen und bei welchem Zustand der Behälter versagt hat. In einem Großteil der Unterfeuerungsversuche mit Behältern ohne Sicherheitseinrichtungen kam es zur Bildung eines Feuerballs, einer massiven Druck- und Temperaturwirkung auf den Nahbereich sowie einer Vielzahl von Fragmenten im Nah- und Fernbereich. In einer Entfernung von l = 7 m wurden Überdrücke von bis zu p = 0,41 bar gemessen. In 30 Unterfeuerungsversuchen kam es zur Fragmentierung des Behälters. Dabei konnten 159 Fragmente mit Wurfweite und Masse dokumentiert werden. Die dabei maximal festgestellte Wurfweite eines Fragments lag bei l = 311 m.
In this paper, we present an autonomous aerial robot to reconstruct tomographic 2D slices of gas plumes in outdoor environments. Our platform, the so-called Unmanned Aerial Vehicle for Remote Gas Sensing (UAV-REGAS) combines a lightweight Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) sensor with a 3-axis aerial stabilization gimbal for aiming on a versatile octocopter. The TDLAS sensor provides integral gas concentration measurements but no information regarding the distance traveled by the laser diode's beam or the distribution of the gas along the optical path. We complemented the set-up with a laser rangefinder and apply principles of Computed Tomography (CT) to create a model of the spatial gas distribution from these integral concentration measurements. To allow for a rudimentary ground truth evaluation of the applied gas tomography algorithm, we set up a unique outdoor test environment based on two 3D ultrasonic anemometers and a distributed array of 10 infrared gas transmitters. We present first results showing the 2D plume reconstruction capabilities of the system under realistic conditions.