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Das Monte-Carlo-Experiment ermöglicht die numerische Simulation von statistischen Grundgesamtheiten und somit auch die Generierung von Festigkeitswerten für eine genau definierte Population von Druckgefäßen. In diesem Beitrag wird möglichst nachvollziehbar gezeigt, wie Werte generiert, Stichproben gezogen und ausgewertet werden. Auf dieser Basis wird auch gezeigt, wie die Wahrscheinlichkeit ermittelt wird, mit der Stichproben aus simulierten Populationen das Zulassungskriterium „Mindestberstdruck“ bestehen.
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.
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.
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 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.
Monte-Carlo-Analysis of Minimum Burst Requirements for Composite Cylinders for Hydrogen Service
(2021)
For achieving Net Zero-aims hydrogen is an indispensable component, probably the main component. For the usage of hydrogen, a wide acceptance is necessary, which requires trust in hydrogen based on absence of major incidents resulting from a high safety level. Burst tests stand for a type of testing that is used in every test standard and regulation as one of the key issues for ensuring safety in use. The central role of burst and proof test is grown to historical reasons for steam engines and steel vessels but - with respect for composite pressure vessels (CPVs) - not due an extraordinary depth of outcomes. Its importance results from the relatively simple test process with relatively low costs and gets its importance by running of the different test variations in parallel. In relevant test und production standards (as e. g. ECE R134) the burst test is used in at least 4 different meanings. There is the burst test on a) new CPVs and some others b) for determining the residual strength subsequent to various simulations of ageing effects. Both are performed during the approval process on a pre-series. Then there is c) the batch testing during the CPVs production and finally d) the 100% proof testing, which means to stop the burst test at a certain pressure level. These different aspects of burst tests are analysed and compared with respect to its importance for the resulting safety of the populations of CPVs in service based on experienced test results and Monte-Carlo simulations. As main criterial for this the expected failure rate in a probabilistic meaning is used. This finally ends up with recommendations for relevant RC&S especially with respect to GTR 13.
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.
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.
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.