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Organisationseinheit der BAM
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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.
Bei Störfallauswirkungsbetrachtungen an Biogasanlagen muss das Versagen der Folien- oder 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 Folien- oder 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 Folien- und Membranabdeckungen.
Beim Ansprechen von Sicherheitseinrichtungen werden unter Druck stehende Gase als Freistrahl freigesetzt. Die Abmessung des daraus resultierenden Gefährdungsbereiches ergibt sich durch den Vergleich mit einem Grenzwert, wie z. B. der unteren Zündgrenze.
Die Berechnung des Freistrahles wird im Allgemeinen durch empirische oder Integralmodelle durchgeführt. Hierbei wird jedoch angenommen, dass die Freisetzungsdauer ausreichend lang ist, damit der Freistrahl einen stationären Zustand erreicht. Ist die Freisetzungsdauer durch ein kurzes Ansprechen der Druckentlastungseinrichtung oder einer geringen zur Verfügung stehenden Gasmenge nur kurz, stellt sich die Frage, inwiefern der resultierende Freistrahl die durch die stationäre Annahme in den Modellen berechneten Längen überhaupt noch erreicht, bzw. ab welcher Freisetzungsdauer von einem stationären Strahl ausgegangen werden kann.
Um diese Fragestellung zu untersuchen wurden CFD Berechnungen durchgeführt. Variiert wurden hierbei die Gasdichte (unterschiedliche Stoffe), die Austrittsgeschwindigkeit, der Austrittsdurchmesser und die Freisetzungsdauer. Basierend auf diesen Untersuchungen wird diskutiert, ob eine Korrelation zwischen den Austrittsparametern und der Dauer bis zum Erreichen der Stationarität abgeleitet werden kann. Diese Korrelation ermöglicht dann aus den Ergebnissen der stationären Freistrahlmodelle, Aussagen für sehr kurze Freisetzungszeiträume zu treffen.
Schwergasausbreitung
(2014)
Ermittlung von Massenströmen
(2014)
Bestimmung des Massenstroms
(2014)