3.5 Sicherheit von Gasspeichern
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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.
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.
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 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.
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 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.
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.
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.
The test data for static burst strength and load cycle fatigue strength of pressure vessels can often be well described by Gaussian normal or Weibull distribution functions. There are various approaches which can be used to determine the parameters of the Weibull distribution function; however, the performance of these methods is uncertain. In this study, six methods are evaluated by using the criterion of OSL (observed significance level) from Anderson-Darling (AD) goodness of Fit (GoF), These are: a) the norm-log based method, b) least squares regression, c) weighted least squares regression, d) a linear approach based on good linear unbiased estimators, e) maximum likelihood estimation and f) method of moments estimation. In addition, various approaches of ranking function are considered. The results show that there are no outperforming methods which can be identified clearly, primarily due to the limitation of the small sample size of the test data used for Weibull analysis. This randomness resulting from the sampling is further investigated by using Monte Carlo simulations, concluding that the sample size of the experimental data is more crucial than the exact method used to derive Weibull parameters. Finally, a recommendation is made to consider the uncertainties of the limitations due to the small size for pressure vessel testing and also for general material testing.
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.
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.
Bei der Auslegung von Druckbehältern kommen, auf Grund ihrer hohen spezifischen Festigkeit, vermehrt Faserverbundwerkstoffe zum Einsatz. Durch eine hohe Streuung von Material- und Produktionsparametern sowie unterschiedlichster Belastungsszenarien gestaltet sich jedoch Aussagen über die Lebensdauer sowie eine Festlegung sinnvoller Prüffristen als schwierig. Im Fokus der Untersuchungen steht ein Behälterdesign mit metallischem Liner und einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffverbund, wobei die Lebensdauer maßgeblich durch den im Metall vorherrschenden Eigenspannungszustand bestimmt wird. Mit Hilfe einer alterungsbegleitenden Eigenspannungsanalyse werden Eigenspannungsveränderungen erfasst und in einem erarbeiteten Betriebsfestigkeitsmodell berücksichtigt. Durch eine Nachstellung verschiedener Belastungsszenarien kann gezeigt werden, dass durch die Berücksichtigung einer veränderlichen Eigenspannung die Anzahl ertragbarer Lastwechsel bis zum Versagen sowie damit verbundene Überlebenswahrscheinlichkeiten mit einer erhöhten Genauigkeit abgeschätzt werden können.
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.
We present the results of distributed fiber optic strain sensing for condition monitoring of a hybrid type IV composite fully wrapped pressure vessel using multilayer integrated optical fibers. Distributed strain sensing was performed for a total number of 252,000 load cycles until burst of the vessel. During this ageing test material fatigue could be monitored and spatially localized. Critical material changes were detected 17,000 cycles before material failure. Results have been validated by acoustic emission analysis.
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.
Safety criteria for the transport of hydrogen in permanently mounted composite pressure vessels
(2020)
The recent growth of the net of hydrogen fuelling stations increases the demands to transport compressed hydrogen on road by battery vehicles or tube-trailers, both in composite pressure vessels. As a transport regulation, the ADR is applicable in Europe and adjoined regions, and is used for national transport in the EU. This regulation provides requirements based on the behaviour of each individual pressure vessel, regardless of the pressure of the transported hydrogen and relevant consequences resulting from generally possible worst case scenarios such as sudden rupture. In 2012, the BAM (German Federal Institute for Materials Research and Testing) introduced consequence-dependent requirements and established them in national transport requirements concerning the “UN service life checks” etc. to consider the transported volume and pressure of gases. This results in a requirement that becomes more restrictive as the product of pressure and volume increases. In the studies presented here, the safety measures for hydrogen road transport are identified and reviewed through a number of safety measures from countries including Japan, the USA and China. Subsequently, the failure consequences of using trailer vehicles, the related risk and the chance are evaluated. A benefit-related risk criterion is suggested to add to regulations and to be defined as a safety goal in standards for hydrogen transport vehicles and for mounted pressure vessels. Finally, an idea is given for generating probabilistic safety data and for highly efficient evaluation without a significant increase of effort.
Hydrogen is an attractive energy carrier that requires high effort for safe storage. Forensuring safety, they must undergo a challenging approval process. Relevant standardsand regulations for composite cylinders used for the transport of hydrogen and for its on-board storage are currently based on deterministic (e.g. ISO 11119-3) or semi-probabilistic(UN GTR No. 13) criteria. This paper analysis the properties of such methods withrespect to the evaluation of load cycle strength. Their characteristics are compared withthe probabilistic approach of the BAM. Based on Monte-Carlo simulations, the availabledesign range (mean value and scatter of strength criteria) of current concepts was exem-plarily estimated. The aspect of small sample sizes is analysed and discussed with respectto the evaluation procedures.
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.
Determination of Distribution Function used in MCS on Safety Analysis of Hydrogen Pressure Vessel
(2019)
The test data of static burst strength and load cycle strength of composite pressure vessels are often described by GAUSSian normal or WEIBULL distribution function to perform safety analyses. The goodness of assumed distribution function plays a significant role in the inferential statistics to predict the population properties by using limited test data. Often, GAUSSian and WEIBULL probability nets are empirical methods used to validate the distribution function; Anderson-Darling and Kolmogorov-Smirnov tests are the mostly favorable approaches for Goodness of Fit. However, the different approaches used to determine the parameters of distribution function lead mostly to different conclusions for safety assessments. In this study, six different methods are investigated to show the variations on the rates for accepting the composite pressure vessels according to GTR No. 13 life test procedure. The six methods are: a) Norm-Log based method, b) Least squares regression, c) Weighted least squares regression, d) A linear approach based on good linear unbiased estimators, e) Maximum likelihood estimation and f) The method of moments estimation. In addition, various approaches of ranking function are considered. In the study, Monte Carlo simulations are conducted to generate basic populations based on the distribution functions which are determined using different methods. Then the samples are extracted randomly from a population and evaluated to obtain acceptance rate. Here, the “populations” and “samples” are corresponding to the burst strength or load cycle strength of the pressure vessels made from composite material and a plastic liner (type 4) for the storage of hydrogen. To the end, the results are discussed, and the best reliable methods are proposed.