2.1 Sicherheit von Energieträgern
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Im Rahmen Rahmen des BMBF-Vorhabens SEE-2L wurde auf dem Testgelände Technische Sicherheit (BAM TTS) ein Großversuchsstand für das thermische Durchgehen von Lithium-Batterien auf Modul- und Batterieebene entwickelt und aufgebaut. Im Zuge des Projektes konnte eine erste Versuchsserie zu den Auswirkungen des thermischen Durchgehens von Batteriemodulen durchgeführt werden. Im Vortrag werden die wesentlichen Ergebnisse der Versuche vorgestellt.
Der Abschlussbericht stellt die wesentlichen Arbeitsschritte und Ergebnisse des Teilvorhabens der BAM im BMBF-Vorhaben SEE-2L vor. Im Rahmen dieses Vorhabens wurde auf dem Testgelände Technische Sicherheit (BAM TTS) ein Großversuchsstand für das thermische Durchgehen von Lithium-Batterien auf Modul- und Batterieebene entwickelt und aufgebaut. Im Zuge des Projektes konnte eine erste Versuchsserie zu den Auswirkungen des thermischen Durchgehens von Batteriemodulen durchgeführt werden. Der Abschlussbericht umfasst zwei Teile, im Teil I den Kurzbricht und im Teil II die eingehende Darstellung.
Following directly from the information presented at IFBIC 2023 on the research project 'Investigation of intracorporeal shock wave propagation using a simplified torso model and a shock wave generator', the latest results are presented below [1]. In order to contribute to the research efforts on the primary explosion effects, the aim of the investigation is the development of a multidisciplinary method to investigate shock wave behavior in various generic tissue simulants under the most reproducible conditions possible with realistic loads in an experimental series with short set-up times.
To achieve this, an autoclave with a volume of 0.065 m3 is used to generate reproducible pressure waves (Fig. 1). The autoclave will be referred to as Shockwave Generator (SWG). The pressure wave is produced by the detonation of a stoichiometric mixture of acetylene and oxygen under atmospheric conditions. The SWG-outlet is sealed by a rupture disc, which can be adjusted in thickness to vary the initial pressure. Additionally, modifying the composition of the acetylene-oxygen mixture can result in different load cases. The SWG requires approximately 30 minutes of set-up time between trials. The SWG was adjusted to match the characteristics of a real and typical explosive through free-field measurements. The experiments demonstrated that the pressure wave propagates in a hemispherical shape and has sufficient reproducibility.
To represent soft tissue, a basic model made of homogeneous ballistic gelatin is used in a geometrically simplified torso model (STM) (Fig. 2). The STM was enlarged to outer dimensions of 400 x 250 x 240 mm. Viscoelastic behavior of the ballistic gelatin can be assumed due to the collagen structure [2]. The density of the ballistic gelatin, and therefore the sound velocity, can be adjusted by changing the mixing ratio. Simplified simulants, such as hollow and solid material (bone simulant), were embedded in the STM. Additionally, the STM has been tested as a carrier material for biological substances, such as indicator species. The next step is to test the STM as a carrier material for larger organic tissue structures such as lungs or kidneys. The organic tissue samples will undergo histological examination to analyze their structural changes afterwards. The STM is equipped with embedded piezoelectric pressure sensors, an accelerometer and a temperature sensor. Visual documentation is captured using a high-speed camera. This measurement setup allows for the tracking of the coupled pressure wave and its behavior within the model and at the media transitions. Pressure values can be recorded after certain media changes, such as from soft tissue to a solid material (Figure 3).
The following is a review of the optimizations made to the entire experimental setup. The reproducibility of the SWG was increased. This was achieved by extending the evacuation process to the entire feed system of the SWG. Nitrogen residues in the SWG system can thus be avoided. As a result, the double peaks that occur at the first maximum can be avoided, as combustion runs more evenly without the nitrogen residues. In addition, partially varying peak overpressures can be avoided, as the acytelene-oxygen mixture is not too lean due to the elimination of the nitrogen residues. The workflow has been streamlined, resulting in an average set-up time of 25 minutes for the SWG. In the case of the STM, the manufacturing process in particular was optimized by examining and defining the manufacturing process based on scientific publications, which increases the reproducibility of the STM base bodies. As already mentioned in the previous paragraph, the STM was equipped with various additives in order to investigate the transition behavior of the pressure wave.
The following trail serves as an example: A comparison is made between the STM in the basic structure (Fig. 2 l.s.) and with an embedded solid material (bone plate) (Fig. 3 l.s.). An external overpressure of 100 kPa is generated by the SWG at a distance of 1 m, where the STM is placed. For the basic STM structure, the sensor distance is consistently 100 mm. The internal overpressure is visible in Fig. 2 r.s.. A typical ideal pressure curve can be seen. The characteristic points are easily distinguishable from the reflection peaks. In the STM with an embedded solid material, the sensor distance remains consistently at 66.6 mm
Die Transformation der Energienutzung von konventionellen zu erneuerbaren Quellen führt dazu, dass zukünftig mehr Energie effizient zwischengespeichert werden muss. Eine Möglichkeit der elektrochemischen Zwischenspeicherung bieten Lithium-Ionen-Batterien. Hierfür können ausgemusterte Automobilantriebsbatterien verwendet werden. Erfüllen sie die hohen Anforderungen des mobilen Bereichs nicht mehr, haben sie oftmals noch eine ausreichende Kapazität und Leistungsfähigkeit für die stationäre Zwischenspeicherung.
Neben der Verwendung der Batterien im größeren Maßstab, z.B. bei Energieversorgern, werden durch den vermehrten Einsatz von Photovoltaik-Anlagen in Ein- und Mehrfamilienhäusern verstärkt Zwischenspeicher für Privathaushalte nachgefragt. Dies birgt auch für Einsatzkräfte neue Herausforderungen in der Gefahrenabwehr.
Im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekt „SEE-2L – Sicherheit elektrochemischer Energiespeicher in Second Life Anwendungen“ wurden Versuche mit Second Life Modulen durchgeführt. Verbundpartner im Projekt waren neben der vfdb die Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg und die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung. Zudem war das Institut der Feuerwehr Nordrhein-Westfalen eingebunden.
Die durchgeführten Versuche bilden eine Grundlage für die Einordnung der Batteriespeicher, z.B. aus Sicht des baulichen Brandschutzes, zur Methodik der Brandbekämpfung oder zur Risikobewertung hinsichtlich der Prozess- und Anlagensicherheit.
Im Beitrag werden die Versuchsergebnisse vorgestellt und Ansätze für deren Anwendung gezeigt. Um die gewonnenen Erkenntnisse zu vermitteln, wurde im Projekt zudem ein Schulungskonzept für Einsätze mit Lithium-Ionen-Technologien erarbeitet, das im Beitrag präsentiert wird. Es besteht aus theoretischen und praktischen Anteilen, sodass bei den Feuerwehren praxisnah aus- bzw. fortgebildet werden kann.
The introduction of hydrogen as a safe energy carrier needs a robust knowledge base, tools for the design and safety assessment of hydrogen technologies built on it, and an internationally harmonized set of standards and regulations. Many of the innovative technologies imply hydrogen at high pressures and/or cryogenic temperatures, with which private users come into contact for the first time in distributed applications. In order to avoid over-conservative, expensive safety solutions, while at the same time demonstrating the usability and safety of hydrogen applications and maintaining acceptance for the technology, safety research must also keep pace with, or better yet anticipate, trends in technological development. Thus, this overview article describes not only the current state of knowledge and technology regarding hydrogen safety, but also its further development.
Im Rahmen des Vortrags wurden die Ergebnisse und die Methodik zur Erhebung von Forschungsbedarfen und Fähigkeitslücken bei den Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben, welche im Rahmen des Projektes InnoBOSK durchgeführt wurden, vorgestellt. Den Schwerpunkt bildete dabei die Umsetzung der Workshops gemeinsam mit den Einsatzkräften und die Umsetzung der problemorientierten Erhebungsmethodik.
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.
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.