3.5 Sicherheit von Gasspeichern
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Dem AVK-Arbeitskreis Wasserstoff-Drucktanks werden ausgehend von Zielen und Aufgaben der BAM sowie der Fachkompetenz auf dem Gebiet der Sicherheit von Composite-Druckbehältern über die prüftechnische Ausstattung, die angewendeten und weiterentwickelten Prüf- und Untersuchungsmethoden sowie zu Beispielen von Forschungsvorhaben wie DELFIN, COLIBRI und SH2APED berichtet.
Structural health monitoring of hydrogen pressure vessels using distributed fiber optic sensing
(2024)
We report on distributed fiber optic sensing-based monitoring of hydrogen composite overwrapped pressure vessels (COPV) to simultaneously increase the operational lifespan and mitigate maintenance costs. Our approach represents, to the best of our knowledge, the first application of distributed fiber optic sensing for COPV Type IV monitoring, where the sensing fibers are attached to the surface, rather than integrated into the composite material. Specifically, we attach an optical fiber of 50 m to the pressure vessel's surface, covering both the cylindrical and dome sections. We note that our fiber optic sensing technique relies on swept wavelength interferometry providing strain information along the entire length of the optical fiber with high spatial resolution even at the millimeter scale. When the vessel is pressurized, the sensing optical fiber shows a linear strain response to pressure at every position along the fiber. After thousands of load cycles, the vessel finally fails with the optical fiber detecting and precisely localizing the damage in the vessel’s blind dome area. Furthermore, we discuss the potential of state-of-the-art signal processing methods and machine learning for advancing predictive maintenance. This could reduce the number of regular inspections, mitigate premature maintenance costs, and simultaneously increase the vessel’s remaining safe service life. We believe that the structural health monitoring of hydrogen pressure vessels with fiber optic sensors can enhance trust in hydrogen technology contributing to the energy transition in the future.
Structural health monitoring of hydrogen pressure vessels using distributed fiber optic sensing
(2024)
We report on distributed fiber optic sensing-based monitoring of hydrogen composite overwrapped pressure vessels (COPV) to simultaneously increase the operational lifespan and mitigate maintenance costs. Our approach represents, to the best of our knowledge, the first application of distributed fiber optic sensing for COPV Type IV monitoring, where the sensing fibers are attached to the surface, rather than integrated into the composite material. Specifically, we attach an optical fiber of 50 m to the pressure vessel's surface, covering both the cylindrical and dome sections. We note that our fiber optic sensing technique relies on swept wavelength interferometry providing strain information along the entire length of the optical fiber with high spatial resolution even at the millimeter scale. When the vessel is pressurized, the sensing optical fiber shows a linear strain response to pressure at every position along the fiber. After thousands of load cycles, the vessel finally fails with the optical fiber detecting and precisely localizing the damage in the vessel’s blind dome area. Furthermore, we discuss the potential of state-of-the-art signal processing methods and machine learning for advancing predictive maintenance. This could reduce the number of regular inspections, mitigate premature maintenance costs, and simultaneously increase the vessel’s remaining safe service life. We believe that the structural health monitoring of hydrogen pressure vessels with fiber optic sensors can enhance trust in hydrogen technology contributing to the energy transition in the future.
Distributed fiber optic strain sensing for structural health monitoring of 70 MPa hydrogen vessels
(2024)
We report on the development and testing of 70 MPa hydrogen pressure vessels with integrated fiber optic sensing fibers for automotive use. The paper deals with the condition monitoring of such composite pressure vessels (CPVs) using the optical backscatter reflectometry (OBR) applied for a distributed fiber optic strain sensing along fully integrated polyimide-coated single-mode glass optical fiber (SM-GOF). The sensing fibers were embedded into the vessel structure by wrapping them over the polymer liner during the manufacturing process of the carbon fiber reinforced polymer (CFRP). Detecting local strain events by the integrated fiber optic sensors can be an opportunity for monitoring the material degradation of CPVs under static and cyclic loading.
Ziel des Vorhabens war es, den Einfluss der realen Temperaturbelastung auf Atemschutzflaschen und Lithiumbatterien in Funkgeräten (FG) im Löscheinsatz von Rettungskräften zu ermitteln und deren Auswirkung auf die Alterung und Lebensdauer sowie die potenziellen Gesundheitsgefahren bei deren Nutzung besser beurteilen zu können und Handlungshilfen abzuleiten.
Im Rahmen dieses Vorhabens wurden zum einen unterschiedlich thermisch gealterte Composite-Atemluftflaschen systematisch hinsichtlich ihrer Restfestigkeiten untersucht. Zum anderen wurden Lithiumbatterien aus FG hinsichtlich der Einwirkung von kritischen Temperaturen untersucht, ab denen es zu einem thermischen Durchgehen der Batterien kommen kann. Für diese beiden wichtigen Komponenten, Lithiumbatterien und Composite-Atemluftflaschen, wurden kritische Temperatur-Zeit-Profile ermittelt, die Auswirkungen durch geeignete Methodiken untersucht und die sich ergebenden Gefährdungen für den Träger bewertet.
Als Methodische Vorgehensweise wurden durch Realversuche die tatsächlichen und zuvor durch Literatur-recherche ermittelten Temperaturprofile verifiziert und auf deren Grundlage die Laborbelastungen abgeleitet. Um den Eigenschaften der aus Faserverbundwerkstoffen hergestellten Composite-Atemluftflaschen Rechnung zu tragen, wurden an zwei repräsentativen Baumustern unterschiedlicher Hersteller Stichprobengruppen unterschiedlicher thermischer Belastung ausgesetzt und hinsichtlich ihrer verbleibenden Restfestigkeitsabnahme geprüft und mit thermisch unbelasteten Baumustern verglichen. Neben den statischen Berstversuchen wurden auch kombinierte Alterungs- und Restfestigkeitsuntersuchungen an zyklisch belasteten Behältern durchgeführt.
Die FG wurden thermisch sowohl statischen als auch zyklischen Belastungen ausgesetzt und mit Kapazitätsmessungen begleitet. Die statischen Versuche dienten dem Zweck, die maximale thermische Belastbarkeit der Akkus zu ermitteln, bei der noch kein Versagen auftritt. Bei den zyklischen Versuchen wurde der Temperaturverlauf bei Löscheinsätzen so nah wie möglich im Labor nachgestellt. Hierbei wurden die Akkus wiederholt einem Belastungsprofil mit konstanter Temperatur ausgesetzt und nach einigen Intervallen die Restkapazitäten am Akku gemessen und so die Degradation bestimmt.
Als Fazit der im Rahmen dieses Vorhabens durchgeführten Untersuchungen an zwei repräsentativen Baumustern von Atemschutzflaschen kann gefolgert werden, dass die thermischen Belastungen abhängig vom Baumuster einen z.T. deutlichen Einfluss auf die Restfestigkeiten der Atemschutzflaschen haben. Höhere thermische Exposition ist, zumindest an den untersuchten Atemschutzflaschen, deutlich zu erkennen und die Flaschen können durch die zuständigen Gerätewarte leicht ausgesondert und ersetzt werden. Die thermischen Belastungen, wie sie im Rettungseinsatz auftreten, waren für die untersuchten Atemschutzflaschen und die Rettungskräfte nicht kritisch sind. Die langjährige Erfahrung etablierter Hersteller dürfte hier aber nicht ohne Einfluss sein. Es ist somit kein Grund erkennbar, von der Verwendung der leichteren Typ 4 Atemschutzflaschen abzuraten, wenn Atemschutzflaschen, die visuell erkennbare thermische Einwirkungen (Farbänderungen, Materialschmelzungen o.ä.) aufweisen, unmittelbar ersetzt werden.
Die Ergebnisse an den FG zeigen, dass trotz hoher Temperaturen keine Selbstentzündung der Lithiumbatterien ausgelöst wird. Der Kapazitätsverlust der Batterien infolge der Belastung führt ebenfalls nicht zu einem Funktionsausfall. Es konnte gezeigt werden, dass die Kapazitätsbestimmung als zuverlässiges und geeignetes Kriterium für die Sicherheitsbewertung der Akkus herangezogen werden kann, wenn die Kapazitätsmessung bei gleichbleibenden Bedingungen (gleiche Raumtemperaturen, gleiche Messgeräte, etc.) stattfindet. Es wird empfohlen, die Akkus ab einer Restkapazität von unter 80% zu tauschen. Als schnelle und sehr einfache Überprüfung kann eine Sichtprüfung an den FG stattfinden. Die im Projekt verwendeten FG zeigten eine Verformung der Kunststoffhülle bei zu hohen Belastungen.
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 publication is an extended abstract on the modelling of the manufacturing process related residual stresses in type 4 pressure vessels for hydrogen storage. A 2D analytical model based on the classical laminate theory and a 3D finite element model are introduced. The calculated residual stress state after the filament winding process as well as the stress state in service are presented and discussed.
Non-Destructive Testing (NDT) of type 4 composite pressure vessels can be seen as key to better understanding the behaviour of the composite structure and the impact of the manufacturing process on its quality. In this presentation, NDT methods used in the “Trustworthy Hydrogen” project are introduced. A brief discussion of the observed phenomena is provided.
Hydrogen pressure vessels are among the most essential components for reliable hydrogen technology. Under current regulations, a mostly conservative strategy is employed, restricting the usage time of hydrogen pressure vessels without providing information on the real remaining lifetime. During the service life, pressure vessels are inspected periodically. However, no established method that can provide continuous monitoring or information on the remaining safe service life of the vessel. In this paper, we propose a sensor network for Structural Health Monitoring (SHM) of hydrogen pressure vessels where data from all sensors are collected and centrally evaluated. Specifically, we integrate three different SHM sensing technologies namely Guided Wave ultrasonics (GW), Acoustic Emission testing (AT), and distributed Fiber Optic Sensing (FOS). This integrated approach offers significantly more information and could therefore enable a transition from costly and time-consuming periodic inspections to more efficient and modern predictive maintenance strategies, including Artificial Intelligence (AI)-based evaluation. This does not only have a positive effect on the operational costs but enhances safety through early identification of critical conditions in the overall system in real-time. We demonstrate an experimental set-up of a lifetime test where a Type IV Composite Overwrapped Pressure Vessel (COPV) is investigated under cyclic loading instrumented with AT, FOS, and GW methods. We acquired data from the sensor network until the pressure vessel failed due to material degradation. The data collected using the three different SHM sensor technologies is planned to be evaluated individually, using data fusion, and AI. In the future, we aim to integrate the measurement setup into a hydrogen refueling station with the data stream implemented into a digital signal processing chain and a digital twin.
Hydrogen pressure vessels are among the most essential components for reliable hydrogen technology. Under current regulations, a mostly conservative strategy is employed, restricting the usage time of hydrogen pressure vessels without providing information on the real remaining lifetime. During the service life, pressure vessels are inspected periodically. However, no established method that can provide continuous monitoring or information on the remaining safe service life of the vessel. In this paper, we propose a sensor network for Structural Health Monitoring (SHM) of hydrogen pressure vessels where data from all sensors are collected and centrally evaluated. Specifically, we integrate three different SHM sensing technologies namely Guided Wave ultrasonics (GW), Acoustic Emission testing (AT), and distributed Fiber Optic Sensing (FOS). This integrated approach offers significantly more information and could therefore enable a transition from costly and time-consuming periodic inspections to more efficient and modern predictive maintenance strategies, including Artificial Intelligence (AI)-based evaluation. This does not only have a positive effect on the operational costs but enhances safety through early identification of critical conditions in the overall system in real-time. We demonstrate an experimental set-up of a lifetime test where a Type IV Composite Overwrapped Pressure Vessel (COPV) is investigated under cyclic loading instrumented with AT, FOS, and GW methods. We acquired data from the sensor network until the pressure vessel failed due to material degradation. The data collected using the three different SHM sensor technologies is planned to be evaluated individually, using data fusion, and AI. In the future, we aim to integrate the measurement setup into a hydrogen refueling station with the data stream implemented into a digital signal processing chain and a digital twin.