Angewandte Physik
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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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
Safety aspects of the storage containments of hydrogen are independent from the kind of usage: The main criteria is the resistance against the pressure load. On the 2nd level there are aspects specific to the usage as e.g. crash loads etc.
Safety is achieved when the probability (frequency) of a failure during the service life is acceptable!
But an aspect common for all usages is the scatter of properties resulting from the material and the production. Therefore, it is worth to have a look on the current approach of minimum burst ratios from an unknown point of view: the basic populations of a product – based on exemplarily assessments.
According to this approach, several diagrams with Monte-Carlo generated basic populations in new and aged conditions have been shown. Thus, it has been demonstrated that not the conditions at the begin of life are the critical ones. No, the end of life properties are the critical ones.
This has been combined with the acceptance rate of borderline basic populations. The approach of minimum burst ratios leads to the acceptance rate of 40 % and higher for the approval of critical basic populations – critical due to their production scatter.
This problem becomes much more critical when taking into account the unknown effects of degradation and in-service ageing.
Therefore, we cannot support the proposed reduction of minimum burst ratio without having a stronger assessment of production scatter.
Druckbehälter aus Verbundwerkstoffen (sog. Composites) werden vielfältig zur Speicherung von Wasserstoff in und auf Fahrzeugen eingesetzt: auf Bus- und Zugdächern, im Pkw und auf für den Transport von Wasserstoff in sog. Batteriefahrzeugen. Alleine dort haben die neuen Composite-Speicher zu einer Gewichtsreduktion und damit Steigerung der Transporteffizienz von 10 auf 35 kg Wasserstoff pro Tonne Fahrzeuggewicht geführt.
Mit der dadurch gestiegenen Menge von Wasserstoff im Fahrzeug und auch der Anzahl der Fahrzeuge ist es hilfreich, die Risiko-Aspekte genauer zu betrachten. Die Druckwelle von Wasserstoff ist zwar bei gleichem Druck-Volumen-Produkt (pV-Produkt) von geringerer Konsequenz, aber absolut dennoch erheblich. Kombiniert man diese Betrachtung mit der Risikogrenze, wie diese in der GGR 021 auf Basis der Eintrittswahrscheinlichkeit und des pV-Produkts festgelegt ist, lässt sich das Risiko zukunftsfest steuern.
Zieht man als Beispiel den Schweitzer Ansatz zur Seveso-II- Richtlinie hinzu, kommt man z.B. über die Anzahl der Toten zu einer Obergrenze der Konsequenz, die unabhängig vom Risiko kritisch wird. Sobald im Katastrophenfall keine adäquaten Maßnahmen mehr ergriffen werden können, können die entsprechenden Konsequenzen zur mehr unter erheblichen Auflagen akzeptiert werden.
Da ein solcher Ansatz für den Gefahrguttransport von (zukünftigen) Massengütern wie Wasserstoff nicht akzeptabel ist, muss bei der Zulassung von Wasserstoffspeichern im Transport auf ein maximales pV-produkt von 1.5 Mio bar-Liter (Prüfdruck) bzw. 1 Mio bar-Liter (Nennbetriebsdruck) geachtet werden.
Diese Betrachtung hat bereits zu erheblichen Begrenzungen des Geltungsbereichs in Normungsprojekten geführt.
Safety criteria for the transport of hydrogen in permanently mounted composite pressure vessels
(2019)
The recent growing of the net of hydrogen fuelling stations increases the demands to transport compressed hydrogen on road by tube-trailers in composite pressure vessels. As transport regulation the ADR is applicable in Europe and adjoined regions and used for national transport in EU. This regulation provides requirements based on the burst pressure of each individual pressure vessel, regardless the capabilities of the transported hydrogen and relevant consequences resulting from worst case scenarios. In 2012, BAM (German Federal Institute for Materials Research and Testing) introduced consequence-dependent requirements and established them in national requirements concerning the “UN service life checks” etc.) to consider the transported volume and pressure of gases. However, this results in a stringent requirement in case of using large pressure vessels (tubes) on tube-trailers. In the studies presented here, the key safety factors for using hydrogen trailers are identified and reviewed through some safety measures from some countries like Japan, USA and China. Subsequently, the risk, chance, failure consequences of using trailers are evaluated, in addition, the difficulties for approving huge pressure vessels (large tubes) are addressed. There, a maximum acceptable pressure-volume product is defined. Finally, a performance-based criterion for the balance of chance and risk of hydrogen trailers is suggested to add into regulations and consequently into standards for hydrogen trailers.
Druckbehälter werden vor ihrer Inbetriebnahme obligatorisch einer hydraulischen Prüfung bis zum sog. Prüfdruck belastet. Damit sollen fehlerhaft gefertigte Individuen erkannt und ausgesondert werden. Mit dieser Prüfung werden aber auch diejenigen Einzelbehälter ausgesondert, die ohne einem nachvollziehbaren Fertigungsfehler, nur auf Basis der statistischen Streuung ggf. eine Festigkeit unterhalb des Prüfdrucks aufweisen.
Da der Prüfdruck im Fall der Wasserstoffspeicher mindestens 20% über dem maximal zulässigem Betriebsdruck liegt, wäre damit ein Versagen im Betrieb ausgenommen, gäbe es die verschiedenen Alterungs- bzw. Ermüdungseffekt nicht.
Um den Einfluss der erstmaligen Prüfung auf eine angenommene ausfallfreie Zeit bewerten zu können, wird hier die Alterung und die erstmalige Prüfung in Kombination analysiert. Hierzu wird auf Basis der Restfestigkeitsdaten aus einer umfangreichen Prüfkampagne ein Ansatz für die Beschreibung der Alterung ermittelt und auf andere Lastzustände übertragen.
So kann für das Baumuster, das der o.g. Prüfkampagne zugrunde lag, mithilfe einer Monte-Carlo-Simulation gezeigt werden, dass mindestens 10.000 LW vor einem ersten Alterungsversagen mit 1 aus 1 Mio. In Abhängigkeit der Anzahl der Individuen, die bei der erstmaligen Prüfung versagen, und der Streuung der gesamten Population, kann diese Mindestfestigkeit auf realistisch 50.000 Lastwechsel steigen.
Damit ist gezeigt, dass aufgrund der erstmaligen Prüfung eine Mindestfestigkeit erzeugt wird, die stark vom Alterungsverhalten abhängt. Im Ergebnis heißt dies, dass in den Vorschriften aktuell die Bedeutung des Mindestberstdrucks in der Baumusterprüfung überschätzt und die möglichst betriebsbegleitende Erfassung der Alterung unterschätzt sind.
The presentation summarizes all the safety concerns that have led DIN to reject an ISO project about extremely large gas/hydrogen transport units.
The core point is the consequence potential, which has increased considerably with the scope of the standardization project in comparison with state of the art systems. At the same time, there is a lack of an approach to take into account the reliability requirements that depend on the consequences, at least up to the level of a catastrophe.
Die Monte-Carlo-Simulation ist eine geeignete Methode, um Festigkeitseigenschaften wie z.B. Berstdruck, oder auch die Lastwechselfestigkeit von ganzen Population von Druckbehältern zu simulieren.
Dies erlaubt wiederum die systematische Analyse der Wirksamkeit von deterministischen Mindestanforderungen und die Optimierung entsprechender Zulassungsvorschriften.
Storage
(2018)
The whole conference focused on gaps in research concerning hydrogen and hydrogen safety. This presentation focus on storage aspects and shows the current gaps in research from the point of view of the authors. They have differences in background, from university via manufacturer and safety institute to hydrogen operating industry. The different purposes of storage are covered (onboard storage, stationary storage and transport of gases) as well as the different designs (steel to pure composite/plastic).
The presentation is divided in two parts, each evaluates a different aspect of safety.
It starts with the analysis of consequences resulting from worst case ruptures of gas cylinders. The number of harmed persons and fatalities dependent from the pressure-volume product and the kind of stored gas. In parallel, there is a national accepted rule for accepted failure rates depending from this pV-product created by BAM. When combining both aspects it become clear that the pressure-volume product can be used as a good indicator for consequences. At a level of about 120 MPa m3 the maximum consequence starts to become catastrophic character. This shows the reason why the representatives of DIN insisted in limiting relevant pV-limits for tubes and cylinders to 1 Mio. bar litres.
The second part gives a raff overview on the parameters influencing the acceptance rates of borderline basic populations. This is added by some slides giving an idea for the improvement of the minimum burst requirement and finally completed by a proposal for improved acceptance criteria for the burst test.
The basic idea is: an increased pV-product of tubes has the be reflected by an increased safety level.
The presentation explains the intended way of BAM in tackling the safety issues in the project TAHYA.
The way how the term “safety” is used in TAHYA leads to the need for a more risk-based understanding of safety. Based on this, the Monte Carlo simulation is used to show where the weak points of current regulations are. Thus, a concept for optimization of relevant regulations, codes and standards will be elaborated during the project. For this purpose, it is helpful to improve the currently operated tool for Monte Carlo simulation, which will need additional data for monitoring the outcome. Strength data, that will be determined by BAM and the other partners during the already agreed test program can be used for this purpose without additional effort.
The presentation explains the term “safety” in a broader sense and leads to the need for a more risk-based understanding of safety. Based on this, the Monte Carlo simulation is used to show where the weak points of the ECE R 134 are and in which direction the GTR 13 could be optimized during the currently running phase 2. For this purpose, it is helpful to improve the currently operated tool for Monte Carlo simulation, for which BAM introduced the research idea “MoCaSiB”.
Der Vortrag gibt zunächst einen Überblick über die Disziplinen, die in der BAM bzgl. Druckgefäßpüfung verfügbar sind. Außerdem ist zusammengestellt, mit welchen Vh-Beteiligungen und daraus resultierenden Lösungsansätzen die BAM jeweils zeitnah auf Änderungen im Recht, die die Aufgabe als zuständige Behörde betrafen, reagiert hat.
Danach wird in die Festigkeitskennwerte und deren Simulation mithilfe der Monte-Carlo-Simulation eingeführt und der Unterschied zwischen Überlebenswahrscheinlichkeit und Akzeptanzrate erläutert.
Darauf aufbauend wird gezeigt, wie die Akzeptanzrate grenzwertig zuverlässiger Grundgesamtheiten einer Prüfvorschrift ermittelt werden kann.
Zuletzt wird gezeigt, dass ein solcher Ansatz ein Optimierungspotential für Wasserstoff-Trailerflaschen eröffnet, sofern er konsequent angewendet wird.
Der Vortrag zeigt den alternativen Ansatz mit wissenschaftlichem Hintergrund zur wiederkehrenden Prüfung von sog. over-moulded cylinders OMC, wie er ab ADR/RID 2019 im Recht zu finden sein wird.
Zuletzt wird noch erläutert, dass die Nutzung des Ansatzes für die Wasserstoffinfrastruktur eine große Bedeutung haben könnte.
Zunächst werden die aus der Themenfeldstruktur der BAM resultierenden Änderungen im Auftreten der BAM vorgestellt und erläutert, wie diese für die Antragsteller zu verstehen sind.
Danach werden die Zielsetzung der GGRn 021 und 022 und deren inhaltlicher Ansatz vorgestellt und auch erläutert, welche Interaktion mit dem Distribtionsverkehr von gasförmigen Energeiträgern besteht.
Zuletzt wird dargelegt, welches Optimierungspotential hinter dem Ansatz in den GGRn steckt.
This presentation explains how the evaluation of technical requirements in regulations effects safety level. This shown by using the Monte-Carlo experiment consequently.
The first step is to explain how deterministic requirements and how probabilistic requirements work. Then the statistical behaviour of the generally unknown basic population can be described and that his behaviour is independent from the regulatory approach. Subsequently, the concept of evaluating sample test results with respect to deterministic requirements is explained. The item “acceptance rate” of the basic population that is behind each sample and behind each individuum in a sample is defined. On this collective understanding, the differences in evaluation between the probabilistic approach PA and the most important RC&S are discussed. Some areas are validated in contradictorily. Then the parameters for acceptance of burst strength in the UN-GTR#13 are varied and opens the door for an accurate improvement of acceptance criteria. Finally, the special aspects of degradation in load cycle testing are shown. There, two aspects must be differentiated, the current reliability and its degradation by ongoing load cycles. This is a convincing argument against the very common opinion, which means that the number of hydraulically tested load cycles pro-vides a figure for the number of acceptable filling cycles.
This presentation explains how BAM operates the PA approach for the life-time surveillance based on the measurement of degradation.
The starting point is the sample performance chart (SPC) as developed by BAM. There it is possible to show minimum requirements, sample properties and lines of constant survival rates, these lines are called isoasfalia. The BAM provides a tool for the safety evaluation of results from sample testing. Then the interaction to the micro-mechanical approach of the FiBreMoD-project is linked with the idea of a degradation of strength and reliability. This leads to the methods of burst and cycle testing. For both methods examples are shown and degradation is explained by showing data of two design types. This visualise the determination of safe service life. Finally, statistical aspects of misinterpretation of test results and the reasons for the decision in favour of the slow burst tests are explained.
This presentation provides general data about BAM, the structure of department 3 and a short impression of the application of pressure vessels for hydrogen in stationary use, supply chain and onboard storage.
It guides to the actions of BAM as competent authority on this area and shows a lot different methods for testing operated at BAM. Based on this additional research has been detected as necessary for a competent tackling of the tasks as competent authority. After having mentioned several important research projects a figure is presented that compares the development of regulations with relevant re-actions of BAM. The outcome was a concept of a risk based definition of accepted failure rates in combination with probability-oriented safety assessment over entire service life.
The second aspect raised at INERIS is the issue of advising the BMVI concerning pressure vessels for hydrogen. Since the pressure is high for saving material consumption and weight there is still high interest in changing regulatory requirements. Therefor we developed an approach for the display of minimum requirements of regulations in diagrams (sample performance charts; SPC) and the probabilistic analysis for these deterministic requirements. This is done by Monte-Carlo simulation and the analysis of acceptance rate and survival rate of basic populations all over the SPC.
This finally provide same knowledge of non-approvable but safe ranges of parameters and even approvable but non-safe constellations. In addition, this analysis allows to optimise deterministic requirements in regulations to the intended level of safety for approved populations of pressure vessels, which is shown on the example of the GTR#13.
This presentation mentions the most important safety items that should be improved from the perspective of Germany.
These are the improvement of the understanding and definition of term "safety", the agreement on procedures for the measurement of safety and the issue of degradation in combination with the safety level to be ensured until end of life.
For using probabilistic experience for the whole production adequate measures for surveillance of the production should additionally become mandatory to be taken into account.
The essential aspects of these issues are shortly explained and highlighted by especially aspects of the slow burst testing with respect to non-cycle fatigue sensitive designs and the hint on the general scatter of properties (Monte-Carlo simulation).
Existing regulations and standards for the approval of composite cylinders in hydrogen service are currently based on deterministic criteria (ISO 11119-3, UN GTR No. 13). This paper provides a systematic analysis of the load cycle properties resulting from these regulations and standards. Their characteristics are compared with the probabilistic approach of the BAM. Based on Monte-Carlo simulations the available design range of all concepts is compared. In addition, the probability of acceptance for potentially unsafe design types is determined.
Der Vortrag stellte kurz die Abteilung vor und wo der Arbeitsbereich Druckgefäße einzuordnen ist. Er weist auf die Verwendung von Wasserstoff und auf unsere Kompetenz in der Beurteilung von Sicherheit, unsere Beratung und Forschung hin.
Darüber hinaus werden die in der BAM auf Wasserstoffspeicher angewendeten Prüfverfahren dargestellt und als ein Schwerpunkt die hydraulische Prüfung erläutert.
Über die Monte-Carlo-Simulation zur Beurteilung von Vorschriften führt er zum probabilistischen Sicherheitsansatz.
The application range of CPV (composite pressure vessels)
is multifaceted. But also the failure forms and the spectrum of measurement methods is manifold. On various, at BAM observed effects, it is shown why the micromechanical analysis of the composites is of such great interest for the prediction of aging effects of CPVs.
Der Vortrag fasst zunächst die Arbeitsgrundlage des Verwaltungshandelns im Gefahrguttransport zusammen: die internationalen Transportvorschriften und die nationalen Verordungen auf Basis des GGBefG.
Danach geht er auf die wichtigsten verwaltungsrechtlichen Begrifflichkeiten und Zusammenhänge verschiedener Gesetze ein.
Darauf aufbauend wird der Ablauf zur Bearbeitung eines Verwaltungsvorgangs und die Schnittstelle zu Z.01 erläutert.
Der Vortrag führt in die Vorgaben der UN-Modellvorschriften ein, ein „Gas cylinders - service life testing for cylinders and tubes of composite construction“ zu gewährleisten. Hierzu werden kurz die betroffenen Umschließungen vorgestellt und die Interaktion von relevanten Regelwerksänderungen und der Beauftragung von ISO, einen TR hierzu zu erstellen, erläutert. Dies wird ergänzt durch eine zusammenführende Darstellung der Veränderungen im Regelwerk zum Thema und den vorbereitenden und begleitenden Maßnahmen durch die BAM über die letzten fasst 20 Jahre. Die im Regelwerk vorgeschlagene Maßnahme, zwischen Auslegungslebensdauer und Betriebslebensdauer zu unterscheiden, wird erläutert und begründet. Die Interaktion mit der Genehmigung einer Frist von 10 Jahren durch die BAM für die wiederkehrende Prüfung wird dargestellt. Am Beispiel der umfangsgewickelten Stahlflaschen für den Wasserstofftransport in Batteriefahrzeugen wird dargestellt, wie das dt. Verfahren in der Praxis aussieht. Hierzu werden die Prüfergebnisse und die daraus bzgl. der Lebensdauerüberwachung gezogenen Schlüsse erläutert. Der Vortrag schließt mit einem Ausblick zur Verwendung des BAM-Verfahrens zur unmittelbaren Anwendung und zur Bewertung von für die Zukunft angestrebten ZfP-Verfahren.
Der Vortrag führt kurz in die Entwicklung der Primärenergiequellen in D und die Bedeutung der Energie für Mobilität und deren Speichermöglichkeiten ein. Er greift kurz den geschlossenen Charakter des H2-Kreislaufes auf, und stellt die Universalität des Wasserstoffs in der Energieversorgung dar. Er zeigt die Entwicklung der Speichermethoden auf und stellt deren Leistungsfähigkeit gegenüber.
Am Beispiel wird der Aufbau eines modernen CGH2-Hochdruckspeichers erläutert und die von der Entwicklung bis zum Lebensende erforderlichen Arbeitsschritte dargelegt. Darauf aufbauend wird für jeden Arbeitsschritt dargestellt, welche zugehörigen Kompetenzen über die gesamte BAM verteilt verfügbar sind. Ergänzend werden die zerstörenden und die nicht zerstörenden Prüfverfahren gegenübergestellt, die gemeinsam ihren Beitrag zur Betriebssicherheit leisten. Analog werden die Bewertungsverfahren klassischer Art (deterministisch) und das der BAM (probabilistisch) verglichen und das Entwicklungspotential des letzteren bzgl. der Effizienz im Wasserstofftransport am Beispiel der Wasserstoffbatteriefahrzeuge aufgezeigt.
Der Vortrag endet mit drei Fragen an die Beiräte.
This slides explain the functionality and the procedure of the UN-service life checks as they are operated by BAM as German authority. These are based on the probabilistic approach including evaluation of current safety level and its comparison with assessments of different status of degrdation including extrapolation towards end of safe service life.
The similarity to the approach for determiantion of retest periods by BAM is explained.
The set of slides summarises the expectations of participants discussed during the opening session. Then the most important aspects of the presentations during the first two days are compiled. At the end the conclusions coming out of a joint discussion are presented. This show what participants expect BAM to do for implementation of the PA in near future.
Durch Anwendung der Monte-Carlo-Simulation auf das SPC-Arbeitsdiagramm der BAM lässt sich darstellen, in welchem Umfang aktuelle Mindestanforderungen in den Zulassungsvorschriften bereits im Neuzustand Baumuster akzeptieren, die keine hirneichende Zuverlässigkeit (Sicherheit) aufweisen. Dies ist hier exemplarisch u. a. am Beispiel der Wasserstofffahrzeug-GTR dargestellt.
The presentation shows the basics on the graphic comparison of deterministic regulations and probabilistic safety requirements. In doing so, unsafe but approvable areas in the BAM-SPC (sample performance chart) becomes obvious; as the area of not approveable but safe strength properties does.
Finally the semi-porbabilistic approach of GTR#13 (global technical regulation for hydrogen vehicles) is analysed. Relevant figures show again potential of saving material and unsafe areas in case of high scatter at end of life.