Fire Science
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The importance of tanks for storing cryogenic fluids in the energy industry is increasing because of ongoing political conflicts and the implementation of more environmentally friendly energy sources. Key representatives for the application of cryogenic tanks are natural gas in the form of Liquefied Natural Gas (LNG) and hydrogen, e. g. in the form of Liquefied Hydrogen (LH2), for which significantly higher transport capacities can be achieved with the same transport volume using cryogenic storages than with storages based solely on overpressure.
What applies to all cryogenic transported fluids in common is their condition that must be maintained. Hence heat flows into the preserved fluid must be minimized. Thermal super Insulations (TSI) based on e. g. multilayer insulations (MLI), perlites, and vacuum are utilized for this purpose and have already proven themselves in similar applications. However, for the use of tanks for cryogenic fluids in the transport sector, there is insufficient knowledge regarding the course and consequences of incidents, which is due to the still short period of use and the few documented incidents, hence few investigations carried out in this field. Typical scenarios in the transport sector represent car accidents with collisions, fires, and their combination, which are associated with extraordinary loads on the tank.
The focus of this study is to investigate the behavior of TSI as a result of their thermal exposure to a heat source representing a fire. It is worth mentioning that this could lead to an increase of the heat flux into a tank by several orders of magnitude, and to permanent damage of the TSI, ultimately rapid release of flammable gas as well as a Boiling Liquide Expanding Vapour Explosion (BLEVE). For this purpose, a high temperature thermal vacuum chamber (HTTVC) has been developed that allows thermal loading of MLI or perlites in a vacuum and simultaneous measurement of heat flow through this TSI. The HTTVC is designed to represent realistic insulation conditions and to withstand thermal loads from typical design fires.
The HTTVC was applied to investigate TSI based on MLI and vacuum. It is shown that the thermal stress caused permanent damage to the TSI, with shrinkage, phase change, pyrolysis, and condensation being significant damage mechanisms. The results are relevant for the evaluation of accident scenarios and can thus contribute to the improvement of TSI and the development of emergency measures for the protection of persons and infrastructures.
Liquefied Hydrogen (LH2) or Liquefied Natural Gas (LNG) establish themselves as important energy carriers in the transport sector. Its storage requires tanks with Thermal Super Insulations (TSI) to keep the transported fluid cold. The presentation includes 2 main topics of the department.
First TSI has proven itself in various applications over a long time, but not in the land transport sector, where accidents involving collisions, fires, and their combination are to be expected. To analyze fire scenarios a High-Temperature Thermal Vacuum Chamber (HTTVC) was developed that allows the thermal loading of thermal insulation material in a vacuum and measuring the heat flow through the TSI in parallel. Within this chamber, 5 samples were tested regarding 3 different types of MLI, rock wool, and perlites. In the presentation, the results are presented.
Second, the studying of accident scenarios enables the improvement of thermal superinsulation and to find novel insulation concepts. This is necessary for LH2 large-scale storages, for which state-of-the-art solutions are not suitable. Within the presentation, a novel insulation concept will be presented.
Wasserstoff wird als ein potenzieller alternativer Energieträger gesehen, mit dem die für 2050 gesetzten Klimaziele erreicht werden könnten. Der Transport von Wasserstoff ist mittels verschiedener Speichertechniken möglich, von denen der kryogene Transport mit den größten volumetrischen Energiedichten einhergeht. Hierdurch eignen sich diese Speicher besonders für die energieintensiven Verkehrsmittel im Land-, See- und Flugverkehr.
Im Vortrag werden Speichertechniken, Gefahren im Umgang mit kryogenen Gasen sowie bisherige Störfälle dargestellt. Darauf aufbauend wird ein Teil der aktuellen Forschungsarbeit an der BAM vorgestellt, die die Sicherheit dieser Speicher unter außergewöhnlichen Belastungen adressiert.
Liquefied Natural Gas (LNG) aus regenerativen Quellen, stellt einen potenziellen Kraftstoff für den Schwer- und Fernverkehr des Straßenverkehrs dar. Gegenüber seinen positiven Eigenschaften zu dem in diesem Verkehrssektor häufig verwendeten Kraftstoff Diesel birgt der Kraftstoff aber auch Gefahren für Personen und Bauwerke durch seine sehr niedrige Temperatur bei der Speicherung von ca. -160 °C und seine Explosionsfähigkeit in der Gas-Phase. In der Arbeit wurde sich mit der Gefährdung von Personen und Bauwerken hinsichtlich der von LNG ausgehenden Gefahren in Tunneln auseinandergesetzt.
Tunnel stellen besonders schützenswerte Bauwerke dar, da aus vorhergehenden Störfällen in Tunneln bekannt ist, dass diese mit hohen Personen-, Bauwerks-, und Volkswirtschaftlichen-Schäden einhergehen können.
Untersuchungsschwerpunkt bei der Bewertung von Gefährdungen durch LNG stellte eine Ereigniskaskade bestehend aus Freisetzung, Verdampfung, Stoffausbreitung und Zündung des sich gebildeten explosionsfähigen LNG-Gas/Luft-Gemisches dar. Mit dem Ziel eine solche Ereigniskaskade realitätsnah vorhersagen und zukünftig hierzu Risikoanalysen durchführen zu können wurden innerhalb der Arbeit Parameterstudien sowie Kalibrierungen und Validierungen gegenüber experimentellen Untersuchungen durchgeführt.
Mit den Modellen wurden in der Arbeit exemplarische Fallbeispiele zu Störfällen untersucht. Ergebnisse dieser waren, dass Gefährdungen insbesondere von flüssigem LNG nach dessen Freisetzung und der Verbrennung von LNG-Gas/Luft-Gemischen ausgingen.zeige weniger
Der Markt von LNG als Transportgut und als Kraftstoff ist seit Jahrzehnten kontinuierlich am Wachsen, wobei das Hauptanwendungsgebiet im Schiffsverkehr lag. LNG ist verflüssigtes Erdgas mit Hauptbestandteil Methan, das neben fossilen, aus erneuerbaren Quellen, wie synthetischen Methan oder Biogas, gewonnen werden kann. LNG hat als Kraftstoff sehr gute Eigenschaften dessen Potenzial als alternativer Kraftstoff zu Diesel im Schwerlast- und Fernverkehr gesehen wird. Dabei weist LNG gegenüber Diesel geringere Emissionen von CO2, Feinstaub, Stickoxiden und Lärm auf und hat gegenüber anderen erneuerbaren Energiespeichern wie CNG, Elektrobatterien oder Wasserstoff die höchste volumetrische und zweitgrößte gravimetrische Energiedichte. Neben seinen Vorteilen zu anderen erneuerbaren Energieträgern birgt LNG durch seine sehr niedrige Temperatur von bis zu 160°C und seiner Brennbarkeit aber auch neue Gefahren für Personen und Infrastrukturen.
Zur Bewertung von Gefahren und zur späteren Durchführung von Risikobewertungen bedarf es Methoden und Modellen deren Untersuchung Ziel des Forschungsprojekts war. Schwerpunkt der Untersuchung stellt die Freisetzung von LNG in Tunnel, mit sich anschließender Stoffausbreitung und verzögerter Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches dar. Unfallszenarien mit Brandereignissen in Tunnel haben gezeigt, dass diese meist mit hohen Personen, Bauwerks und volkswirtschaftlichen Schäden verbunden sind. Des Weiteren zeigten Untersuchungen das von Gasexplosionen in Umschließungen wie sie ein Tunnel darstellt, mehr Gefahren ausgehen als von Gasexplosionen im Freifeld.
Im Vortrag werden die untersuchten Modelle und die aus dem Projekt gewonnenen Erkenntnisse für die Stoffausbreitung und Verbrennung der Gasphase von LNG in Umschließungen vorgestellt.
Basierend auf Methan aus regenerativen Quellen, stellt LNG einen alternativen Kraftstoff für den schweren Fernverkehr da. Gegenüber seinen positiven Eigenschaften birgt der Kraftstoff aber auch Risiken, durch seine sehr niedrige Temperatur und seine Brennbarkeit, für die Personen- und Bauwerkssicherheit. Für die Erforschung der Risiken eignen sich CFD-Modelle, deren Erforschung unter anderem Ziel des TF-SiVi Projekts der BAM war.
Einen Einblick in die angewendete Methodik zur Erforschung von Unfallszenarien mit LNG gibt der Vortrag.