3.5 Sicherheit von Gasspeichern
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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).
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.
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.
Photopolymer derived carbon grows in popularity, yet the range in available feature sizes is limited. Here we focus on expanding the field to low surface to volume ratio (SVR) structures. We describe a high temperature acrylic photopolymerizable precursor with FTIR and DSC and develop a thermal inert-gas treatment for producing architected carbon in the mm scale with SVR of 1.38 x10-3 μm-1. Based on TGA and MS, we distinguish two thermal regimes with activation energies of ~79 and 169 kJ mol-1, which we reason with mechanisms during the polymer’s morphologic conversion between 300 - 500 °C. The temperature range of the major dimensional shrinkage (300-440 °C, 50%) does not match the range of the largest alteration in elemental composition (440-600 °C, O/C 0.25-0.087%). The insights lead to an optimized thermal treatment with an initial ramp (2 °C min-1 to 350 °C), isothermal hold (14h), post hold ramp (0.5 °C min-1 to 440 °C) and final ramp (10 °C min-1 to 1000 °C). The resulting carbon structures are dimensionally stable, non-porous at the μm scale, and comprise an unprecedented variation in feature sizes (from mm to μm scale). The findings shall advance architected carbon to industrially relevant scales.
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.
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.
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.
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.
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.