3.5 Sicherheit von Gasspeichern
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Die Präsentation ist der Startschuss für die Wasserstoffkolloquien der BAM. Sie beginnt mit Adolf Martens und zeigt den Weg vom Foresight-Prozess Wasserstoff bis zum Kompetenzzentrum H2Safety@BAM. Es werden die Kompetenzfelder vorgestellt und die handelnden Personen. Dies leitet über zu den drei Vorträgen des Tages und den Vortragenden.
Der Vortrag stellt das Kompetenzzentrum H2Safety der BAM vor und zeigt Aspekte besonderer Kompetenz des Zentrums mit Blick auf das Kompetenzfeld TestCert.
Beginnend mit dem H2-Unfall auf dem Tempelhofer Feld in 1894 wird dargestellt welche Bedeutung Sicherheitsfragen zu Wasserstoff für das Kompetenzzentrum H2Safety haben. Danach wird die Struktur und die Arbeitsschwerpunkte erläutert und die verantwortlichen Personen kurz vorgestellt. Das Kompetenzfeld TestCert wird vertieft erläutert und hier insbesondere auf Sicherheitsaspekte des Markthochlaufes hingewiesen. Darauf aufbauend werden die statistischen Aspekte eines Markthochlaufes wie auch die der Streuung einer Population und deren Alterung dargelegt. Zuletzt kommt der Hinweis auf das Potential der Bewertung von Baumusterprüfkriterien mithilfe der Monte-Carlo-Simulation.
Der Vortrag zeigt den Weg des Themas Wasserstoff von Adolf Martens bis zum Kompetenzzentrum H2SafetyBAM, die zugehörigen Kompetenzfelder, deren Ziele und verantwortliche Personen.
Der Hauptteil reflektiert den Aspekt des Markthochlaufes von Wasserstofftechnologien und zeigt einen Maßnahmenkatalog von der Risikosteuerung über die Konsequenzbegrenzung bis zu probabilistische Ansätzen in der Bewertung von Prüfergebnissen und der Wirkung von Mindestanforderungen.
Durch Einsatz neuer Technologien im Transport von komprimiertem Wasserstoff konnte eine Verdreifachung des Nutzlastverhältnisses erreicht werden. Diese neuen Speicher auf den Transportfahrzeugen müssten aber anders auf ihre Sicherheit überprüft werden, als dies heute gefordert wird.
Mit dem Markthochlauf Wasserstoff vervielfacht sich zudem die Anzahl der Transporteinheiten. Da sich im Zuge der neuen H2-Transportfahrzeuge aber auch die Anzahl der einzelnen Speicher pro Fahrzeug etwa verzwanzigfacht hat, kommen die Kapazitäten für die erforderliche wiederkehrende Prüfung an ihre Grenzen.
Dies könnte evtl. durch eine entsprechende Erhöhung der Prüfkapazitäten gelöst werden. Da dies aber weder praktisch machbar ist noch technisch wirklich sinnvoll, müssen alternative Ansätze z.B. durch digital erfasste zerstörungsfreie Prüfkonzepte gesucht werden. Hierzu bedarf es aber einer Lebenslaufakte, die beginnend von der Definition einer Bauweise über die Baumusterprüfung, Zulassung, Herstellung, erstmalige Prüfung, Verwendung und wiederkehrenden oder begleitenden Prüfungen bis zum Verschrotten alle Daten erfassen und verwalten kann.
Eine solche Lebenslaufakte könnte auch als eine Art digitaler Produktpass (DPP) verstanden werden.
Im Rahmen der von der BAM und anderen Partnern ins Leben gerufenen Initiative „Digitale Qualitätsinfrastruktur“ liegt der Fokus u.a. auf der Entwicklung von neuen Zertifizierungsworkflows. Dabei ist eine besondere Bedeutung dem Zusammenführen von Operational Technology (OT) und Informationstechnik (IT) beizumessen. Zur Datenintegration aus der Sensor-Feldebene einer Versuchs-wasserstofftankstelle wurde eine solche Infrastruktur zunächst in einer Laborumgebung aufgebaut.
The presentation starts with some key figures about BAM. Then it introduces BAM's competence centre H2Safety@BAM and shows aspects of special competence of the centre. It closes with information about the engagement of BAM in European research projects on hydrogen and a reference to our bilingual paper about our hydrogen strategy.
Based on the preliminary presentations in this task force it is repeated how a basic population scatters and its degradation influences properties statistically. There is a remainder on the issue of accepting borderline populations due to the minimum burst ratio requirement.
Then it is explained in detail how the analysis of minimum requirements by a Monte-Carlo-simulation works. The result with respect to the further reduced minimum burst ratio of 2.0 is summarised and means a two-step approach of two scatter levels requiring two different minimum burst ratios.
The methods for evaluating batch tests are analysed. A proposal for integration a statistical analysis is described in detail.
Finally, the positive effect of proof testing is shown and its dependence from the real ageing is shown.
This ends in the recommendation to have a stronger and quantitative look on real ageing and to follow the 2 proposed sets of criteria for a safe usage of hydrogen storage systems.
Dr Mair presents the competence centre “H2Safety@BAM”. He starts with a spectacular hydrogen accident on the Tempelhofer Feld (Berlin) in 1894, comes to the foundation of the competence centre in the context of the hydrogen strategies of Germany and the EU and explains their safety-focused orientation in order to create and maintain confidence in hydrogen technologies.
Beyond the long-term changes in energy supply, in Sept. 2022 there are enormous cost leaps in gas supply, which puts hydrogen as an energy carrier in a different light.
Based on this, he presents the structure of the Competence Centre with its 5 competence areas and the corresponding contact persons. This is underpinned by a slide on each of the work packages in the fields of competence.
At the end of the presentation, he explains the focus of the competence area "Component Testing, Component Safety and Approval", for which he is responsible. This is the question of cost reduction by using the whole potential of digitalisation in connection with the safety surveillance of the storage systems. The run of a fully digital system is of great importance for both, for the hydrogen supply of large consumers via road and rail and for storage systems in stationary plants. A robust and well-thought-out digitalisation in all levels of documentation will lead to a new quality in monitoring safety porperties, integration of new components and cost reduction.
The Gases Advisory Group is organized regularly by the Prevention Division of the German Employer's Liability Insurance Association for Raw Materials and the Chemical Industry. The event serves as an exchange between science and industry on current safety-related issues concerning oxygen and hydrogen. In this context, BAM presented an overview of its various activities of the competence center H2Safety@BAM, which are reflected in the entire hydrogen value chain. In addition, the plans for the expansion of the test infrastructure at BAM's Technical Safety Test Site were presented. The results of the DELFIN project on the safety of pressurized gas storage tanks, the release tests of liquid hydrogen as well as the underfiring of corresponding cryogenic storage tanks and the plans for the ModuH2Pipe@BAM project were also presented. The presentation concluded with the current recommendations of the Hydrogen Research Network.
Competence Centre H2Safety@BAM – Safeguarding the Quality Infrastructure in the Hydrogen Economy
(2022)
Hydrogen is a central component of the energy transition and the European Green Deal for a climate-neutral Europe. To achieve the goals defined for 2050, the EU and the German government have developed a framework for action and are making long-term investments in research, development, and the rapid implementation of innovative hydrogen technologies.
With the Competence Centre "H2Safety@BAM", BAM is creating the safety-related prerequisites for the successful implementation of hydrogen technologies at national as well as European level.
To this end, BAM conducts research, testing and consulting in a holistic and inter-disciplinary manner under one roof – in the Competence Centre H2Safety@BAM. The activities of the competence centre focus on ensuring the safety of infra-structures, plants, and processes as well as innovative hydrogen transport and storage systems based on digital quality testing and the experimental testing of components and systems. It thus creates the prerequisites for the implementation and adaptation of legal framework conditions as well as for standardization. Closely related to this are investigations into the properties and compatibility of metallic materials and polymers as well as friction systems for the safe operation of components, plants, processes, and systems. This interdisciplinary and holistic approach is complemented by the development of gas analytics and suitable sensors, online measurements of gas properties in process control, test scenarios under real conditions as well as impact assessments of accidents and risk assessments and risk management systems derived from them. With its portfolio of tasks and competences, BAM builds trust in the safety and reliability of technical system solutions for hydrogen.
First the acceptance rates resulting from the analysis of different minimum burst ratios and standards are displayed and explained. Especially the problems resulting from a further reduction if the minimum burst ratio are shown.
For a better understanding of these results the process of analysing the acceptance rate is explained in detail. This contains the alleged contradiction between safety of samples due to its scatter while the rejected sample provides a higher mean strength.
Then the importance of batch testing is explained and leads to the recommendation to have a strong interaction between provided mean strength and requested maximum of production scatter.
As a contribution to the national hydrogen strategy, 3.5 years ago, the Delfin research project started with the aim of developing a cost- and material-optimized hydrogen tank design for automotive application. Under the patronage of the National Organization Hydrogen and Fuel Cell Technology (NOW), a consortium consisting of 9 research institutes, component suppliers, engineering service providers and automobile OEMs is processing a wide range of work packages. The focus of BAM research sets on impact testing and safety-related characterization of pressure vessels of different development stages. Furthermore, the implementation of nondestructive testing methods is applied. The presentation shows an overview of the BAM work packages and an extraction of the results generated so far.
Degradation and damage analysis of composite pressure vessels via experimental modal analysis
(2023)
For mobile gas storage systems, the application of type IV pressure vessels is state of the art. Type IV tanks consist of an inner polymer liner fully wrapped with fibre-reinforced plastic (FRP). Because of the complex fabric of the FRP as well as a difficulty estimable interaction behaviour between the single components under load, there are still no satisfying non-destructive testing methods to assess the current state of failure nor to estimate the level of degradation accurately and economically. At BAM division 3.5, analysing the ageing process of mobile composite pressure vessels is a major task to ensure safe usage over the whole lifetime. In this context, key aspects of our ongoing research activities are the invention of new test procedures and the development of accurate lifetime prediction models. In order to determine the level of degradation or damage, one meaningful non-destructive approach is to analyse the structural dynamic behaviour via an experimental modal analysis (EMA). Over the last few years, different types and sizes of composite pressure vessels have been tested in several research projects. The presented paper gives an insight into how to extract and interpret modal parameters and how to fit them to the results of residual strength tests.
Das Bundesverkehrsministerium hat seit 2008 in drei Stufen jeweils auf Vorschlag der BAM einen Antrag zur Einführung bzw. Regulierung von Bergungsdruckgefäßen bei den Vereinten Nationen eingebracht. Die Anträge führten jeweils nach der Delegation in eine Arbeitsgruppe unter der Leitung des Vortragenden zu neuen Vorschriften im internationalen Gefahrguttransportrecht.
Zuletzt hat das UN-Subcommittee der Experten für den Transport gefährlicher Güter der Einführung einer Druck-Volumen-Begrenzung für Druckgefäße zugestimmt. Mit dieser Begrenzung wurde die bisherige Volumenbegrenzung für Bergungsdruckgefäße ersetzt, wodurch nun das Spektrum der Bergungsdruckgefäße gestaltet werden kann, das notwendig wäre, um defekte Druckgefäße transportieren zu können.
Das zentrale Kriterium für die Begrenzung des Druck-Volumen-Produktes (pV) fand bereits in den Landverkehrsvorschriften ADR/RID bis zu ihrer Neustrukturierung auch als Konsequenzmaß Verwendung. Damit soll sichergestellt werden, dass sich aus Wasserstofftransporten in Druckgefäßen keine Konsequenz entwickeln kann, die nach den Kriterien für stationäre Anlagen, einer Katastrophe gleichkommen würde.
Hierzu hatte eine Arbeitsgruppe der Vereinten Nationen seit 2020 auf Vorschlag der BAM eine Kette aufeinander aufbauende Kriterien diskutiert, die im Vortrag vorgestellt werden:
Einfluss der Druckwellen auf den menschlichen Körper (ohne Splitterwirkung oder Umsetzung der chemischen Energie) – Zusammenhang von Druckwelle und Fläche – Druckwellenberechnung – Bevölkerungsdichte – Grenzwerte für eine Katastrophe – resultierendes pV-Produkt.
Das Ergebnis wurde mit herausragenden Großunfällen und Katastrophen aus dem Gefahrguttransport und Gefahrstoffbereich verglichen. Außerdem wurden noch die Effekte des Temperatureinflusses auf den maximalen Betriebsdruck diskutiert. Zuletzt wurde bei den UN darauf hingewiesen, dass mit Blick auf die Auswirkungsbetrachtung der Wassersoff das Gas mit den geringsten Konsequenzen bei gegeben Druk-Volumen-Produkt ist, was zu restriktiveren Obergrenzen für z.B. Erdgas führen könnte.
Als letzter Punkt im Vortrag wird erläutert, dass in den kommenden UN-Sitzungen über nachfolgende Änderungen im Recht, wie z.B. der Kennzeichnung des pV-Produktes, diskutiert werden wird. Außerdem muss ein neuer Einstieg für die bei ISO in der Normung befindliche Umschließungen mit einem größeren pV-Produkt gefunden werden, wozu aber Transportland-spezifische Risikoanalysen in Verbindung mit massiven Fahrwegsbeschränkungen zu erwarten sind.
Die BAM wird kurz mit ihren Eckdaten als Ganzes vorgestellt und dann der Einstieg in die besonderen Möglichkeiten der Versuchsplattform "Wasserstofftankstelle" erläutert. Nach kurzen Vorstellung der Struktur der Tankstelle wird erläutert, wie drei Methoden der ZfP für das Structural Health Monitoring in Verbindung mit KI zur Anwendung kommen werden.
Das Thema Wasserstoff ist an der BAM seit mehr als hundert Jahren aktuell und steht auch gegenwärtig im Zentrum zahlreicher Forschungs- und Kooperationsaktivitäten. Mit der aktuellen Wasserstoff-Strategie der BAM werden wichtige Voraussetzungen dafür geschaffen, dass der Markthochlauf gelingt und die technische Sicherheit und Überwachung der Infrastrukturen und Anlagen gewährleistet ist – von der Erzeugung, über den Transport bis zur Speicherung und Bereitstellung von Wasserstoff als Energieträger der Zukunft.
Im Vortrag wird zunächst erläutert, dass auch im Fall der Wasserstoffversorgung die Schadensanalyse, -vermeidung und die wiederkehrende Prüfung von Speichern in engem Zusammenhang stehen.
Der Wasserstofftransport in Deutschland hat bereits deutlich zugenommen und wird in den nächsten Jahren weiter erheblich zunehmen. Dies führt zu einem stärkeren Fokus auf die wirtschaftlichen Aspekte im Transport und der wiederkehrenden Prüfung. Letztere droht, ohne neue technische Ansätze zum Flaschenhals in der Verfügbarkeit vorhandener Transportkapazitäten zu werden.
Das gegenwärtige System der Wasserdruckprüfung bis zum sog. Prüfdruck mit Innen- und Außenbesichtigung etc., die im Normalfall alle 5 Jahre durchzuführen ist, führt zu jeweils etwa 8 Wochen Stillstand. Das Aufwendige dabei sind die Trocknungs- und Spülprozesse, die notwendig sind, um wieder entsprechend reinen Wasserstoff abfüllen zu können. Auf Basis der BAM GGR‘n 021 und 022 lässt sich beim Nachweis entsprechender, probabilistischer Restzuverlässigkeiten diese Frist in Deutschland auf 10 Jahre ausdehnen. Diesen Weg sind in den letzten Jahren viele Betreiber gegangen.
Mit Blick auf die derzeit fast exponentielle Zunahme von Transporteinheiten kann auch diese Verlängerung der Prüffristen das Problem nicht lösen. Auch das Umschwenken von hydraulischer, auf die heute bereits genehmigungsfähige Gasdruckprüfung bis zum Prüfdruck bringt zwar eine Verkürzung der Stillstandzeiten, erfordert aber erhebliches Investment in Schutzmaßnahmen.
Als hinreichend zielführendes Konzept für Transporteinheiten mit vielen Elementen wird im Vortrag eine Mischung aus probabilistischem Ansatz und zerstörungsfreien Prüfungen erläutert und bzgl. Aufwand und Nutzen im Vergleich zu den üblichen Verfahren visualisiert. Voraussetzung für diesen vorgestellten Ansatz sind die Weiterentwicklung und Qualifizierung der Schallemissionsanalyse als Ersatz für die derzeitig zerstörenden Prüfungen und auch eine durchgängig digitale Lebenslaufakte, die eine lückenlose Zuordnung von Baumusterprüfung, Herstellungslos, Betreiber und Betriebsdaten erlaubt.
Für Transporteinheiten mit wenigen, sehr großen Elementen wird dagegen das sog. Online-Monitoring mit fest installierter und permanent messender Technik gesehen.
Für die Anwendung beider Lösungsansätze sind umfangreiche Änderungen im Recht erforderlich.
Der Wasserstofftransport auf der Straße ist wichtig und wird wie der noch geringe Transport auf der Schiene weiter stark zunehmen. Die bisherige Effizienzsteigerungen sind über Werkstoff- und Designänderungen vom Vollstahl über umfangsumwickelte Stahl- bis zu Compositespeichern mit Kunststofflinern erfolgt.
Hinzu kam die auf Basis der BAM-GGR 022 an Vorbedingungen geknüpfte Prüffristverlängerung von 5 auf 10 Jahre. Die wiederkehrende Prüfung von großen Transporteinheiten bedeutet jedes Mal einen Stillstand von gut 8 Wochen. Entsprechend steht mit Blick auf die weitere Effizienzsteigerung die Reduktion des Prüfaufwands im Fokus.
Eine Effizienzsteigerung kann nach aktueller Rechtslage geschehen, indem die hydraulische Prüfung auf eine Gasdruckprüfung umgestellt wird. Dies könnte zukünftig mit geeigneten Arbeitsschutzmaßnahmen pneumatisch durchgeführt werden – auch ohne Rechtsänderung.
Ein deutlich größerer Schritt in Richtung Verbesserung des Aufwands- zu Nutzenverhältnis ließe sich erreichen, indem die zerstörungsfreie Prüfung nicht mehr nur als Arbeitsschutz-motiviertes, begleitendes, sondern als zentrales Prüfverfahren ausgebaut wird. Gerade wenn – wie für die Schallemissionsanalyse erwartet – eine relativ gute Abschätzung des Berstdruckes möglich ist, könnte auf die 100%-Prüfung verzichtet werden und bis zu einem kritischen Alter nur auf Stichprobenprüfung basieren, was allerdings erhebliche Rechtsänderung erfordert und auch neue Werkezuge der Informationsverwaltung.
Als Vorlage für einen praktischen Ansatz zur Rechtsänderungen inkl. Informationsverwaltung wird auf die SV 674 in Verbindung mit 6.2.3.5.3ff ADR/RID verwiesen. Dies kombiniert mit einer digitalen Lebenslaufakte, die auf der digitalen Qualitätssicherung (QI-digital) beruht, wäre ein mächtiges Werkzeug für eine Verbesserung des Aufwands- zu Nutzenverhältnis und so auch eine Lösung des mit der stark steigenden Anzahl der Transporteinheiten absehbaren Kapazitätsproblems in der wiederkehrenden Prüfung.
Green hydrogen is seen as a cornerstone of the energy transition and decarbonization efforts of industry, transportation and the utilities sectors. The binding goal of the EU and Germany to reduce net zero carbon emissions by 2045 will substantially increase the demand for green hydrogen as an important carbon-free substitute for fossil fuels. The World Energy Council expects an annual demand of 60 million tons (equivalent 2.000 TWh) hydrogen and its derivatives (especially ammonia and methanol) in the EU until 2050. lt is estimated that the EU can produce less than half of its needed hydrogen by 2050, and will need to import the rest. African coastal countries therefore have the opportunity to become net exporters of their carbon-free regenerative energy in the form of hydrogen and its derivatives and to enable better economic growth and generate wealth on the African continent. The large-scale production, transport and storage of green hydrogen will require large investments in the development of knowledge and training, logistics and capital goods - for both the EU and African countries.
BAM is already facing the lack of skilled workers and hydrogen experts. By bundling its expertise in the field of hydrogen technologies into a competence center H2Safety@BAM to create confidence in the technology The topic of hydrogen has been current at BAM for more than one hundred years and is also currently the focus of numerous research and cooperation activities. In order to transfer its expertise in this field BAM developed a number of education activities. The centre of all activities is the Graduate School “Trustworthy Hydrogen”, established in 2022 together with the BTU Cottbus. In the presentation all activities and especially those of the graduate school and details of the cooperation with the University of Namibia are shown.
Mit der Initiative QI-Digital werden völlig neue Perspektiven für das Sicherheitsmanagement und die Qualitätssicherung technischer Anlagen erschaffen. Unsere Forschung im Kontext einer Wasserstofftankstelle zeigt, wie digitale Innovationen und Verfahren die Herausforderungen effizienter und verlässlicher Qualitätssicherung für komplexe Anlagen bewältigen können.
In diesem Vortrag werden Potentiale und Beispiele der digitalen QI für technische Anlagen demonstriert und diskutiert: Moderne Anlagenüberwachung mit digitalen Zwillingen und KI sowie Kalibriermanagement mithilfe digitaler Kalibrierscheine und elektronischem Siegel.
Dr. Mair erläutert, welcher Anwuchs an H2-Bedarf zu erwarten ist, wo er weltweit erzeugt werden könnte und in welcher Form auf grünem Wasserstoff basierende Energieträger transportiert werden können. Es wird deutlich, dass das Transportaufkommen von H2 erheblich anwachsen wird und dass sich alle Seiten, die Regelsetzer und die Industrie darauf vorbereiten müssen.
Danach wird mit Blick auf die Normungsroadmap H2 des DIN der probabilistische Ansatz mit seinem Potenzial, Normen und Vorschriften in ihrer Wirkung zu simulieren und zu bewerten kurz vorgestellt.
Der dritte Block des Vortrages beginnt mit der Definition von Sicherheit, zeigt kurz das mikromechanische Prinzip der Alterung von Composite und greift dann ein Thema auf, dass Dr. Mair bereits 2018 und 2019 in dieser Runde dargelegt hat: Der Aufwand für die klassische Wiederkehrende Prüfung ist enorm und bringt nur wenig Erkenntnis. Es werden graphisch das 5-Jahres 100%-Prooftesting, der Ansatz nach GGR 022 mit seiner zerstörend geprüften Stichprobe und der mögliche Ansatz für eine ergebnisgesteuerte Stichprobenprüfung auf ZfP-Basis miteinander verglichen. Die Unterschiede im Aufwand-zu-Nutzen-Verhältnis sind enorm. Dabei ist der aufwändigste Ansatz zudem der mit der geringsten Erkenntnistiefe.
Jeder Ansatz, der von einer 100%-Prüfung in einem maximalen Zeitrahmen von 10 Jahren abweicht, also z.B. der Verzicht auf eine 100%-Prüfung während des Betriebes, würde eine Änderung des Regelwerkes erfordern, die zeitnah angestoßen werden müsste. Da es sich hierbei primär um eine Ressourcenoptimierung und nicht um eine Verbesserung der Sicherheit handelt, liegt der Ball bei den Verbänden. Als eine Idee für das Herangehen mit einer Begrenzung auf Druckgefäße, die nach der EN 17339 zulassungsfähig sind (fest montiert, H2 und nur CFK), verweist Dr. Mair auf die SV 674 in Verbindung mit 6.2.3.5.3/.4 ADR/RID. Bei dem absehbaren Anwachsen des Bestandes an H2-Batteriefahrzeugen, ist hier nicht nur ein Optimierungsaspekt, sondern auch ein Kapazitätsproblem in der wiederkehrenden Prüfung zu lösen. Es würde aber auch ein Mehrwert für die Sicherheit entstehen.
This lecture describes the history of hydrogen from the first scientific discoveries in the 18th century to the current technological and political developments for the market ramp-up of hydrogen technologies. The European policy framework for safe hydrogen technologies is explained comprehending the European Green Deal, European Climate Law, European Hydrogen Strategy, Clean Hydrogen Partnership, REPowerEU Plan, Renewable Energy Directive and its Delegated Act, Net Zero Industry Act, etc.
This lecture describes the history of hydrogen from the first scientific discoveries in the 18th century to the current technological and political developments for the market ramp-up of hydrogen technologies. The European policy framework for safe hydrogen technologies is explained comprehending the European Green Deal, European Climate Law, European Hydrogen Strategy, Clean Hydrogen Partnership, etc. Safety in hydrogen technologies is governed by international and European regulations and standards. An overview on regulatory bodies, technical committees, regulations, directives, standards, and technical guidelines with special attention on the BAM-GGR 021 is given in this lecture.
This lecture describes the history of hydrogen from the first scientific discoveries in the 18th century to the current technological and political developments for the market ramp-up of hydrogen technologies. The European policy framework for safe hydrogen technologies is explained comprehending the European Green Deal, European Climate Law, European Hydrogen Strategy, Clean Hydrogen Partnership, etc. Safety in hydrogen technologies is governed by international and European regulations and standards. An overview on regulatory bodies, technical committees, regulations, directives, standards, and technical guidelines with special attention on the BAM-GGR 021 is given in this lecture.
H2Safety@BAM
(2023)
In the DECHEMA Virtual Talks, general aspects of the safety and acceptance of hydrogen technologies were presented. How can trust in new technologies be built when past accidents led to myths and fairy tales? The presentation does away with general prejudices and shows that handling hydrogen is neither more unsafe nor safer than handling other fuel gases. The basis for the safe handling of hydrogen is always a risk analysis.
The introduction reflects the political background in Germany and worldwide concerning hydrogen as energy carrier. This leads to available hydrogen strategies and the reaction of BAM by launching the competence centre H2Safety@BAM. Fokus is set on the competence area TestCert, the special role of the division “Safety of Gas Storage Systems” there and its increasing success in research activities.
The main part explains the needs for a risk-controlled market ramp-up concerning hydrogen products and appropriate measures being under development in division 3.5: risk control, tools for consequence estimation and limitation, probabilistic assessment of end of safe life, the efficiency assessment and optimization of current regulations, the structural health monitoring (SHM) with necessary improvement of measures for quality management in the digital world of safety assessment. Last but not least, the wide range of full-scale testing and simulation of worst-case scenarios is explained.
The objective of this work is to find a method that describes the degree of damage from an impact experiment. This experiment was performed on Composite Pressure Vessels (CPV) in order to find the correlation of impact damage to the residual burst pressure. Computed Tomography (CT) approach was used to capture the before and after impact condition of the CPVs. The Wasserstein function was used to calculate how much the after impact image has differed from the original one. In the end, a good correlation was obtained to the residual burst pressure. The smaller the Wasserstein distance is, the higher the residual burst pressure would be and vice versa.
Composite pressure vessels (CPVs) are becoming the state of the art for storage for compressed hydrogen (CH2) in automotive applications. There is a strong interest of car manufacturers to use lightweight and less-costly gas storage units. In order to reduce the necessary amount of expensive carbon fibre, the nominal safety margins are becoming gradually smaller, pushing the limits of the regulations for type approval. At the same time, the total volume of these vessels increases to extend the range of the vehicles, increasing the consequences for worst-case scenarios like the rupture of the CPVs in service.
This presentation presents insights gained in the project “TAnk HYdrogen Automotive” (TAHYA). Its aim is to improve the safety of current regulations for type approval of pressure vessels for the use in hydrogen fueled vehicles, namely GTR No. 13 and ECE R 134.
For the assessment of safety, the probabilistic approach developed by division 3.5 of BAM is used. Monte-Carlo-Simulations were conducted leading to the identification of several weak spots, mainly found in the burst test and the batch test.
By changing the requirements for burst tests and the approach for batch tests, the identified weak spots can be strongly reduced.
Der Vortrag stellt das Kompetenzzentrum H2Safety der BAM vor und zeigt Aspekte besonderer Kompetenz des Zentrums mit Blick auf das Kompetenzfeld TestCert.
Beginnend mit dem H2-Unfall auf dem Tempelhofer Feld in 1894 wird dargestellt welche Bedeutung Sicherheitsfragen zu Wasserstoff für das Kompetenzzentrum H2Safety haben. Danach wird die Struktur und die Arbeitsschwerpunkte erläutert und die verantwortlichen Personen kurz vorgestellt. Das Kompetenzfeld TestCert wird vertieft erläutert und hier auf das Spektrum der wissenschaftlichen und technischen Dienstleistungen hingewiesen. Darauf aufbauend werden die statistischen Aspekte eines Markthochlaufes wie auch die der Streuung einer Population und deren Alterung dargelegt. Zuletzt kommt der Hinweis auf das Potential der Bewertung von Baumusterprüfkriterien mithilfe der Monte-Carlo-Simulation.
Markthochlauf von Wasserstoff - probabilistische Sicherheitsbewertung von Speichern und Normen
(2021)
Der Foliensatz beginnt mit der Kurzvorstellung des Kompetenzzentrums H2Safety@BAM und weiteren Informationen zum Kompetenzfeld MatCom. Danach werden die Erwartungen der EU zum Wasserstoffverbrauch vorgestellt und visualisiert, wie Risikosteuerung bei stark wachsender Technik funktionieren kann, und welchen zeitlichen Vorlauf man für die Einführung von neuen Zulassungsanforderungen benötigt. Der Begriff Sicherheit wird über den Risikobegriff definiert und am Beispiel quantifiziert. Danach werden verschiedene Werkzeuge vorgestellt, die dazu geeignet sind, die Risikosteuerung im Markthochlauf zu realisieren: Die statistische Bewertung von Stichproben, die probabilistische Bewertung von Populationen, die Lebensdauervorhersage von Populationen. Dies führt weiter zum Gedanken eines probabilistischen Zulassungsansatzes und zum Potential Monte-Carlo-Experimentes in der Bewertung der Wirkung von deterministischen Baumusterprüfkriterien. All dies sind Themen, die nach Meinung des Vortragenden Zukunftsprojekte der Normung sein sollten, um ein Werkzeug zu erhalten, das auch weitgehend ohne produktspezifische Erfahrung geeignet ist, Sicherheit in einer H2-Gesellschaft zu gewährleisten.
Der Vortrag beginnt mit dem erwarteten Bedarf an Wasserstoff und der Frage der Risikosteuerung bei stattfindender Marktdurchsetzung. Dem gegenüber ist an einem Beispiel der Prozess der Regelsetzung gestellt, was die Notwendigkeit pro-aktiven Handelns zeigt.
Es wird über die risikobasierte Definition von Sicherheit gezeigt, welche Bedeutung die Erfassung der Fertigungsstreuung hat und wie die quantitative Erfassung und Bewertung aussehen könnte. Zuletzt wird über den Aspekt der Alterung auf das Potential probabilistischer Zulassungsansätze verwiesen und aufgezeigt, wie die Wirkung von Vorschriften nach dem probabilistischen Sicherheitskriterium bewertet und optimiert werden kann.
Der Foliensatz beginnt mit den Erwartungen der EU zum Wasserstoffverbrauch und der Visualisierung, wie Risikosteuerung bei stark wachsender Technik funktionieren kann, und welchen zeitlichen Vorlauf man für die Einführung von neuen Zulassungsanforderungen benötigt. Der Begriff Sicherheit wird über den Risikobegriff definiert und am Beispiel quantifiziert. Danach werden verschiedene Werkzeuge vorgestellt, die dazu geeignet sind, die Risikosteuerung im Markthochlauf zu realisieren: Die statistische Bewertung von Stichproben, die probabilistische Bewertung von Populationen, die Lebensdauervorhersage von Populationen. Dies führt weiter zum Gedanken eines probabilistischen Zulassungsansatzes und zum Potential Monte-Carlo-Experimentes in der Bewertung der Wirkung von deterministischen Baumusterprüfkriterien. All dies sind Themen, die nach Meinung des Vortragenden Zukunftsprojekte der Normung sein sollten, um ein Werkzeug zu erhalten, das auch weitgehend ohne produktspezifische Erfahrung geeignet ist, Sicherheit in einer H2-Gesellschaft zu gewährleisten.
The subject of permeation of hoses according to ISO 3821 for
hydrogen was discussed for a long time in ISO/TC 44/SC 8. The reason
is a considerable leakage of hydrogen diffused into the hose material
over the end face of the hose. Because of this unsolved, safety-related
problem of hoses sold on the market, measurements should be carried
out in order to be able to better assess the problem. BAM has declared
its attendance to provide a required fast solution to this issue.
Mess- und prüftechnische Verfahren sind zur Prozesskontrolle und Sicherheitsüberwachung in Wasserstofftechnologien von hoher Bedeutung. Typische Anwendungsgebiete von Sensoren sind Sicherheitsüberwachung, Leckdetektion und Prozesskontrolle. In diesem Beitrag werden Themen zur Erkennung von freigesetztem Wasserstoff sowie die Bestimmung des Wasserstoff-Luftverhältnisses mit Gassensoren, Fehlstellenerkennung mit geführten Ultraschallwellen zur Lebensdauerüberwachung (Structural Health Monitoring) von Wasserstoffspeichern sowie der Einsatz faseroptischer Sensoren zur Überwachung des Dehnungs- und Alterungsverhaltens sowie zur Schadensfrüherkennung von Wasserstoffspeichern vorgestellt.
Mit „Knallgas“ in die Zukunft? Sicherheit von Wasserstoff – Von der Herstellung bis zur Nutzung
(2022)
Der Vortrag gibt eine Antwort auf die Frage: „Ist der Umgang mit Wasserstoff so sicher, dass wir unsere Zukunft darauf aufbauen können?“
Dr. Mair stellt das Kompetenzzentraum H2Safety@BAM vor. Er beginnt mit dem spektakulären Wasserstoff-Unfall auf dem Tempelhofer Feld aus dem Jahr 1894, kommt zur Gründung des Kompetenzzentrums im Kontext der Wasserstoffstrategien Deutschlands und der EU und erläutert deren sicherheitsfokussierte Ausrichtung, um Vertrauen in Wasserstofftechnologien zu schaffen und zu bewahren.
Danach werden die physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff im Vergleich zu Methan (Erdgas) vorgestellt. Dies leitet über zur Betrachtung des Hindenburg-Unfall sin Lakehurst 1937.
Im nächsten Abschnitt werden der weltweite Bedarf an H2, sein Importbedarf aus deutscher Sicht, das weltweite Erzeugungspotential und der Transportaufwand der üblichen H2-Derivate dargelegt.
Die zentrale Frage ist die nach der Sicherheit von Wasserstoff als Ergebnis der bisher ergriffenen Maßnahmen. Es werden wenige der immer wieder geschehenden Unfälle im Transport von Energieträgern vorgestellt, was zur Erkenntnis führt, dass, um die Sicherheit objektiv beurteilen zu können, der Risikobegriff herangezogen werden muss.
Das Risiko basiert auf der Konsequenz und der Häufigkeit eines Ereignisses. Mit Blick auf den bereits erkennbaren Markhochlauf wird dargelegt, wie eine Risikosteuerung in Abhängigkeit der Produkte im Transport funktionieren kann. Hierzu muss beachtet werden, dass jede Eigenschaft streut. Damit sind auch die Zuverlässigkeit jedes einzelnen Speichers, des gesamten Bestandes an Gasspeichern, im Neuzustand und erst recht mit zunehmendem Alter einer Streuung unterworfen, die aktuell nur über Stichproben abgeschätzt werden kann.
Es wird an Beispielen aufgezeigt, welche Prüftechniken und Beurteilungsmethoden die BAM zur Sicherheitsbeurteilung von Transportspeichern und sogar Tankstellen einsetzt und weiterentwickelt.
Dies führt zu einem Petitum für probabilistische Betrachtungsweisen von Produktsicherheit mit Blick auf die Qualität der Rechtsvorschriften, der Produktdesigns und der Herstellung von Produkten für die Wasserstoffanwendung.
Hochbeanspruchte Bauteile wie Druckbehälter bergen im Falle eines Versagens ein erhebliches Gefährdungspotential für Mensch und Umgebung. Trotz der Auslegung mit hohen Sicherheitsfaktoren kommt es durch die hauptsächlich bei mobilen Anwendungen eingesetzten Leichtbauwerkstoffe und Materialkombinationen zu komplexen Degradationsvorgängen, welche unter ungünstigen Umständen zu einem frühzeitigen Versagen führen können. Am Beispiel eines hybriden Typ III-Behälters, bestehend aus Metall und Faser-Verbund-Kunststoffen, wird demonstriert, wie sich Änderungen des lebensdauerbestimmenden Eigenspannungszustandes auf eine sichere Gebrauchsdauer auswirken. Zur Erfassung dieser Eigenspannungsänderungen wird ein zerstörungsfreier Ansatz auf Grundlage einer experimentellen Modalanalyse vorgestellt. Die daraus gewonnen Daten fließen unmittelbar in ein erarbeitetes Betriebsfestigkeitsmodell ein. Abschließend werden die generierten Modellergebnisse mit experimentell ermittelten Lebensdauern verglichen und bewertet.
As a part of the QI-Digital cooperation project, BAM is setting up a hydrogen refuelling station research platform at the Test site for Technical Safety in Horstwalde. Based on this platform, BAM intends to develop, to test and to optimize new measurement techniques as well as data acquisition and processing methods for hydrogen refuelling stations and their periphery in close cooperation with partners from the quality infrastructure and industry. The presentation will introduce the hydrogen refuelling station use case and provide insights into the issues and research goals of the associated subprojects.
Der Vortrag zum Mess- und Prüfverfahren mit verschiedenen Sensortechnologien und Ultraschallwellen beinhaltet die Themen:
Metrologie zur Wasserstoffspeicherung - Euramet-Vorhaben "MefHySto",
Erkennung von freigesetztem Wasserstoff sowie die Bestimmung des Wasserstoff-Luftverhälntisses mit Gassensoren, zerstörungsfreie Fehlstellenerkennung mit integriertem Zustandsüberwachungssystem basierend auf geführten Ultraschallwellen zur Lebensdauerüberwachung von Composite-Behältern (Wasserstoffspeicher) sowie faseroptische Sensorik zur Schadenfrüherkennung von Wasserstoffspeichern aufgrund erkennbarer Dehnungsänderungen an Druckbehältern.
BAM is part of the “Quality Infrastructure Digital” (QI Digital) initiative of the German Federal Ministry for Economic Affairs and Climate Action (BMWK). This initiative aims at coordinating a large cooperation project, “QI Digital” for making German and European quality management systems fit for the digital transformation. It is a fact that the digitization of new products and services is occurring much faster than quality management systems can be accordingly updated. Thus, the digital transformation of quality management is necessary to preserve the competitiveness of the German and European industries that stand for quality and safety in the global market. The Use Case “Reliable Hydrogen Refueling Station” of QI Digital aims at creating new solutions that are transferable to other technical systems and at further developing standards and technical rules as a contribution to technology transfer and innovation.
Es werden die Zusammenhänge des Druckvolumenprodukts und der Konsequenz bei Druckgasen insbesondere für Wasserstoff dargestellt. Entsprechend werden Stellungnahmen zu verschiedenen Normungsprojekten abgeleitet und perspektivische Entwicklungen mit dem resultierenden Bedarf in der Normung dargestellt. Außerdem wird am Beispiel ein Problem in der praktischen Beurteilung von Speicherpopulationen für Batteriefahrzeuge diskutiert.
Hydrogen is a central component of the energy transition and the European Green Deal for a climate-neutral Europe. To be able to achieve the targets defined by 2045, the EU and the German government have drafted a framework for action and are making long-term investments in research, development and the rapid implementation of innovative hydrogen technologies.
The conditions for a successful energy transition and the economic use of green hydrogen as a clean energy carrier are Hydrogen readiness and a rapid market ramp-up, as well as the establishment of the necessary value chains in the national and European framework. Reliable quality and safety standards are the prerequisite for ensuring safety of supply and environmental compatibility and for creating trust in these technologies.
BAM has bundled its expertise in the field of hydrogen technologies into a competence center H2Safety@BAM to create confidence in the technology and to support the hydrogen strategies of the German government and the EU. The topic of hydrogen has been current at BAM for more than one hundred years and is also currently the focus of numerous research and cooperation activities. The competence centre H2Safety@BAM and its vision of “We build trust in hydrogen technologies” will be presented with its many safety-related topics, which can be found throughout the entire hydrogen value chain. Two deep dives will present the results on projects dealing with the design-to-cost issue of classical pressurized gas storage containments and the consequences of the release of liquid hydrogen, which will be roughly compared to the release of ammonia.
The presentation reflects the questions that have been raised by member states and NGOs.
As background information details on the question how to choose a suitable salvage pressure receptacle (SPR) are provided. This leads to the need for deleting the volume limitation for SPRs and to the discussions in 2014 and 2016 on this issue.
As an adequate substitution for deleting the volume limit for SPRs it is proposed to limit the pressure receptacles to be stored in by a maximum pressure-volume-value of 1.5 Mio bar-litres.
After some explanations to standardisation projects currently also tackling this pV-limit, some risk-based safety criteria for a limitation are mentioned with the focus of the consequence level and the general avoidance of catastrophic worst case scenarios.
The stacking sequence of a real scale type IV pressure vessels has been found. Feasibility study of a multiscale model has been carried out by modifying the original stacking sequence. All of the results were displayed in a Sample Performance Chart (SPC), where different burst pressure in terms of mean and scatter had been found.
Der Beitrag beinhaltet Themen vom H2Safety@BAM-Kompetenzfeld Sensorik, Analytik und zertifizierte Referenzmaterialien (SensRef) mit Fokus auf Mess- und Prüfverfahren mit verschiedenen Sensortechnologien und Ultraschallwellen:
Metrologie zur Wasserstoffspeicherung - Euramet-Vorhaben "MefHySto",
Erkennung von freigesetztem Wasserstoff sowie die Bestimmung des Wasserstoff-Luftverhälntisses mit Gassensoren, zerstörungsfreie Fehlstellenerkennung mit integriertem Zustandsüberwachungssystem basierend auf geführten Ultraschallwellen zur Lebensdauerüberwachung von Composite-Behältern (Wasserstoffspeicher) sowie faseroptische Sensorik zur Schadenfrüherkennung von Wasserstoffspeichern aufgrund erkennbarer Dehnungsänderungen an Druckbehältern.
Ein Aspekt des Gefahrguttransportes, der an Bedeutung in den letzten Jahren zugenommen hat, ist die Versorgung von Wasserstofftankstellen und anderen H2-Großverbrauchern über die Schiene aber insbesondere über die Straße.
Mit Blick auf die primäre Form der Speicherung wird der Begriff der Sicherheit über den Aspekt der Häufigkeit eines definierten Ereignisses erläutert und auf die Besonderheiten der Druckgefäße aus Verbundwerkstoffen hingewiesen, wie auch den regulatorischen Hintergrund der Lebensdauerüberprüfung nach 15 Jahren nach den Vorgaben der zuständigen Behörde. In Deutschland sind diese Vorgaben in der BAM-Gefahrgutregel 021 geregelt, die in der GGR 022 durch eine Regelung zur Wiederkehrenden Prüfung dieser Umschließungen ergänzt wird.
Beide BAM-Gefahrgutregeln basieren auf einem probabilistischen Ansatz und einer Konsequenzabschätzung über das Druck-Volumen-Produkt der Druckgefäße. Die neu im Recht verankerte EN 17339 ist die erste Norm, die speziell fest montierte Compositespeicher für den Wasserstofftransport regelt. Sie ermöglicht eine erhebliche Gewichtreduktion und führt eine Obergrenze für das Druckvolumen ein.
Es wird kurz erläutert, dass gerade mit Blick auf Wasserstofftransporte über eine Arbeitsgruppe der Vereinten Nationen eine Begrenzung des Konsequenzpotentials in das internationale Recht eingeführt werden soll und welche Kriterien bei der systematischen Ermittlung des akzeptierten Wertes von 1.5 Mio bar Liter Einfluss haben.
Mit Blick auf die Energiewende sieht es die BAM als besonders wichtig an, die Transportkosten zu senken, indem der Prüfaufwand reduziert und gleichzeitig die Erkenntnistiefe aus der betrieblichen Überwachung verbessert wird. Hierzu muss die Datenbasis für die probabilistische Bewertung der Lebensdauer von zerstörenden Prüfungen auf zerstörungsfreie Prüfungen umgestellt werden und idealerweise die 100% Prüfung zumindest in der ersten Hälfte des sicheren Lebens auf Stichproben reduziert werden.
Dies und andere Aufgaben, die wichtig für eine sichere und attraktive Wasserstoffwirtschaft sind werden von dem Kompetenzzentrum H2Safety@BAM bearbeitet, dass in seinen Grundzügen kurz vorgestellt wird.
While hydrogen is one of the most promising energy carriers, the safety of hydrogen storage technology remains one of the most important factors for technological and societal approval. While the engineering safety factors of the pressure vessels are kept high, the periodic inspection and the limited lifetime are making the application very costly considering manpower, time, money, and material waste. The development of an integrated structural health monitoring system can allow an easy transition from the current situation to cost-effective predictive maintenance. Hence, we propose to integrate three different SHM systems into hydrogen pressure vessels, namely guided wave ultrasonics, acoustic emission, and fibre optic sensing, to continuously monitor the condition and integrity.
In this work, we evaluated the condition of a Type IV composite overwrapped pressure vessel using ultrasonic guided wave propagation. We mounted fifteen piezo-electric wafers on the composite cylinder by shaping three rings containing five sensors each. We acquired data from the sensor network following different boundary conditions with artificial damages on the selected locations. The data were evaluated with guided wave tomography techniques using ultrasonic features (amplitude, frequency, etc.) as well as artificial intelligence (AI). The results suggest that both traditional guided wave fusion techniques and AI-based characterization methods can detect artificial damages. In future work, it is planned to integrate acoustic emission and fibre optic sensing. Moreover, the measurement and the test results will be implemented into a digital twin to derive trends and make predictions on the damage propagation as well as the remaining useful lifetime.
This work has received funding from German Ministry of Economic Affairs and Climate Actions within the QI-Digital initiative (www.qi-digital.de).
The presentation starts with the first agreement of making a national attempt for the introduction of a pV-limit for hydrogen transport. It explains aspects of the technical development, provides an impression of catastrophic incidents, and explains the difference between risk control and consequence limitation. Then the process of determining consequences and the result from the discussion at the UN-WG are explained. The next part summarises the approach for counting the number of impacted persons as a function of the model of pressure wave, the pressure peak, the limits of injured persons and the population density. Finally, the latest state of the discussion and the subsequent recommendations for a pV-value and the adequate phrases for explanation are introduced.
As a contribution to the national hydrogen strategy, 3.5 years ago, the Delfin research project started with the aim of developing a cost- and material-optimized hydrogen tank design for automotive application. Under the patronage of the National Organization Hydrogen and Fuel Cell Technology (NOW), a consortium consisting of 9 research institutes, component suppliers, engineering service providers and automobile OEMs is processing a wide range of work packages. The focus of BAM research sets on impact testing and safety-related characterization of pressure vessels of different development stages. Furthermore, the implementation of nondestructive testing methods is applied. The presentation shows an overview of the BAM work packages and an extraction of the results generated so far.