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Paper des Monats
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Mit zunehmender Produktion und Einsatz von Wasserstoff kommt immer mehr die Frage auf, inwieweit etablierte Freistrahlmodelle geeignet sind die Freisetzung von Wasserstoff aus Ausbläsern ausreichend genau zu berechnen, um darauf aufbauend Aussagen zum Explosionsschutz treffen zu können. Ein Vergleich mit experimentellen Untersuchungen zeigt, dass die Berechnungen von Modellen, die z.B. für Erdgas geeignete sind, für sehr leichte Gase größere Abweichungen ergeben können. Es sind daher Modifikationen für das Integralmodell von Schatzmann und das empirische Modell von Chen/Rodi entwickelt und mit experimentellen Untersuchungen verglichen worden. Bei einer verzögerten Zündung der Wasserstoff-Gaswolke sind bei experimentellen Untersuchungen relevante Explosionsüberdrücke gemessen worden, die bei einer Gefährdungsbeurteilung berücksichtigt werden sollten. Hierfür ist ein Berechnungsansatz in Verbindung mit dem Multi-Energy-Modell entwickelt worden.
Die BAM beteiligt sich sehr aktiv am Forschungsnetzwerk Wasserstoff, eines von neun Forschungsnetzwerken Energie der Bundesregierung. Der Vortragende ist Sprecher des Cluster IV "Sicherheit, Akzeptanz und nachhaltige Markteinführung" vom Forschungsnetzwerk und wurde vom Geschäftsführer des Center of Safety Excellence GmbH gebeten, die aktuellen Forschungsbedarfe des Netzwerkes, die in der Expertenempfehlung 2023 dem BMWK übermittelt wurden, vorzustellen.
In dem hier vorgestellten Projekt wurde die Wirksamkeit mechanischer Schläge als Zündquelle für wasserstoffhaltige Atmosphären in Abhängigkeit von der inhomogenen Materialpaarung systematisch untersucht. Dabei wurden praxisrelevante Materialien wie Edelstahl, niedrig legierter Stahl, Beton und Nichteisenmetalle betrachtet. Es wurde festgestellt, dass eine Zündung vermieden werden kann, wenn Nichteisenmetalle in Kombination mit verschiedenen metallischen Werkstoffen verwendet werden. In Kombination mit Beton muss die kinetische Schlagenergie auch mit Nichteisenmetallen weiter begrenzt werden, um eine wirksame Entzündung zu vermeiden. Außerdem wurde untersucht, wie sich die Beimischung von Wasserstoff zu Erdgas auf die Wirksamkeit mechanischer Stöße als Zündquelle auswirkt. Bei Beimischungen von bis zu 25 % Wasserstoff und sogar mehr konnte kein Einfluss festgestellt werden. Die Ergebnisse sind vor allem relevant im Zusammenhang mit der Umwidmung des Erdgasnetzes oder der Beimischung von Wasserstoff im Erdgasnetzes.
Um die Energiewende voranzubringen, wird neben dem Ausbau der Erneuerbaren Energien ein schneller Markthochlauf bei Wasserstoff-Erzeugung, Transport und Anwendung angestrebt. Dieser Markthochlauf geht derzeit insbesondere einher mit Fragen der Wirtschaftlichkeit und der Umsetzung einer Serienfertigung von Elektrolyseuren. Bei Fragen der Sicherheit wird üblicherweise auf das bestehende Regelwerk verwiesen. Da der Umgang mit Wasserstoff und die Technologien zur Wasserstoff- Erzeugung nicht neu sind, geht man davon aus, dass durch die Einhaltung der bestehenden Regelwerke die Anlagen ausreichend sicher sind. Aber ist das wirklich so? Decken die bestehenden technischen Regelwerke alle derzeitigen Entwicklungen im Zusammenhang mit der Wasserstofferzeugung und -nutzung in allen notwendigen Facetten ab, um die Sicherheit zu gewährleisten? Der Experten-Workshop soll die Möglichkeit bieten, sich über die Sicherheit bei Wasserstofferzeugung und -nutzung auszutauschen sowie offene Fragestellungen und Lücken im Regelwerk zu identifizieren. Hierzu sind sowohl Impulsvorträge als auch ein offener Austausch mit allen Teilnehmenden geplant.
Im Zuge der Energiewende finden Wasserstofftechnologien in der industriellen Praxis und im öffentlichen Raum immer mehr Anwendung. Beim Einsatz von Wasserstoff als Ersatz für andere fossile Energieträger wie Erdgas müssen u.a. Explosionsschutzmaßnahmen überprüft und angepasst werden. Eine Art von Explosionsschutzmaßnahmen ist die Vermeidung von Zündquellen. Gemäß den einschlägigen Regelwerken ist die Bildung von Funken oder heißen Aufschlagstellen beim mechanischen Schlag eine mögliche Zündquelle, die vor allem beim Wasserstoff berücksichtigt werden muss. Die Zündwirksamkeit ist dabei u.a. stark von der Werkstoffpaarung und der kinetischen Schlagenergie abhängig. Der Einsatz von funkenarmen Werkzeugen aus schwer oxidierbaren Nicht-Eisen-Metallen in explosionsgefährdeten Bereichen kann z.B. eine Maßnahme sein, um diese Zündquelle zu vermeiden und wird als solche in den Regelwerken benannt. Es gibt aber kaum Quellen, die dabei helfen die Zündwirksamkeit bei Schlägen mit heterogenen Materialpaarungen einzuschätzen. In dieser Arbeit wurde zu diesem Zweck die Zündwirksamkeit von mechanischen Schlägen mit unterschiedlichen, auch nicht-metallischen Schlagpartnern in wasserstoffhaltigen Atmosphären systematisch untersucht.
Wasserstoff als flexibel einsetzbarer und leicht transportierbarer Energieträger bildet eine Schlüsselkomponente auf dem Weg zu einer klimaneutralen Energiewende. Zur Speicherung von gasförmigem Wasserstoff kommen bei stationären und auch mobilen Anwendungen meist Druckbehälter aus Verbundwerkstoffen zum Einsatz. Dabei ist für den Betrieb der Behälter die Gewährleistung der Sicherheit von großer Relevanz. Structural Health Monitoring (SHM) bietet einen innovativen Ansatz, um sowohl die Sicherheit als auch die Zuverlässigkeit der Druckbehälter zu gewährleisten und kritische Versagensfälle zu vermeiden.
Zur kontinuierlichen Überwachung und Bewertung des Zustands eines Wasserstoffdruckbehälters wird in dem vorliegenden Beitrag eine aktive Methode präsentiert, die auf geführten Ultraschallwellen basiert. Dabei kommt das Pitch-Catch Verfahren zwischen Sender und Empfängern zur Überwachung der strukturellen Integrität zum Einsatz. Auf Grundlage des untersuchten Wellenausbreitungsverhaltens im Druckbehälter sowie der Geometrieeigenschaften wird ein Sensornetzwerk aus piezoelektrischen Flächenwandlern (PZT) zur Abdeckung des zu überwachenden Bereichs entworfen. Ziel ist es mit Hilfe eines Optimierungsalgorithmus eine größtmögliche Abdeckung bei gleichzeitiger Minimierung der Anzahl der Sensoren zu erreichen. Zudem soll eine gleichmäßige und platzsparende Verteilung im Vordergrund stehen, so dass zukünftig weitere Messmethoden auf dem Druckbehälter angewendet werden können (z. B. durch akustische oder faseroptische Sensoren).
Das für die Anwendung optimierte Sensornetzwerk wird anschließend hinsichtlich der Robustheit bei der Schadenserkennung und -lokalisierung durch Aufbringen von künstlichen Schäden evaluiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die künstlichen Schäden am Wasserstoffdruckbehälter nachgewiesen werden können.
Die Einführung von Wasserstoff als sicherer Energieträger braucht eine robuste Wissensbasis, darauf aufgebaute Werkzeuge zur Auslegung und Sicherheitsbewertung von Wasserstofftechnologien und ein international harmonisiertes Regelwerk. Viele der innovativen Technologien implizieren Wasserstoff bei hohen Drücken und/oder kryogenen Temperaturen, mit denen in verteilten Anwendungen erstmalig private Nutzer in Kontakt kommen. Um überkonservative, teure Sicherheitslösungen zu vermeiden, gleichzeitig aber die Einsetzbarkeit und Sicherheit von Wasserstoffanwendungen zu demonstrieren und die Akzeptanz für die Technologie aufrecht zu halten, muss auch die Sicherheitsforschung mit den Trends der technologischen Entwicklung Schritt halten, oder sie besser noch antizipieren. So beschreibt dieser Überblicksartikel nicht nur den gegenwärtigen Stand der Kenntnisse und Technik bezüglich Wasserstoffsicherheit, sondern auch ihre Weiterentwicklung.
Wasserstoff erfüllt die zentrale Rolle für die Umwandlung der bisherigen fossil-basierten Energieerzeugung und -nutzung auf eine dekarbonisierte, nachhaltige Form. Dazu muss der Wasserstoff erzeugt, gespeichert, transportiert werden, bevor er wieder der Nutzung zugeführt wird. Hierzu sind entlang der gesamtem Prozesskette Wasserstofftechnologien notwendig, die einen sicheren Betrieb erfordern. Hierbei kommt dem schweißtechnischen Anlagen- und Behälterbau wesentliche Bedeutung zu, insbesondere (aber nicht ausschließlich) für Speicherung und Transport des Wasserstoffes. Der vorliegende Beitrag gibt einen kurzen Überblick, wo und wie die konventionelle Schweißtechnik hierzu wichtige Beiträge leistet. Die additive Fertigung, also das „Drucken“ von Bauteilen wird dabei zunehmend wichtiger, entlang der gesamtem Prozesskette der Wasserstofftechnologien. Gleichwohl darf nicht unterschätzt werden, dass auch wesentlicher Bedarf an der Erweiterung und teilweiser Neufassung von bestehenden Regel- und Normenwerken besteht.
Um den Aspekt der Strategie zur Fehlervermeidung und Schadenprävention in Wasserstofftechnologien zu integrieren, ist es entscheidend, proaktiv auf potenzielle Schwachstellen in den Systemen und Prozessen zu achten. Dies beinhaltet die Implementierung von präventiven Maßnahmen als Elemente des Sicherheitsmanagements, um mögliche Fehlerquellen zu identifizieren und zu eliminieren. Darüber hinaus sollten Schulungen gezielt auf die Vermeidung von Fehlern und die sichere Anwendung von Wasserstofftechnologien ausgerichtet sein. Eine durchdachte Strategie zur Fehlervermeidung trägt wesentlich dazu bei, Unfälle zu verhindern und die Gesamtsicherheit bei der Nutzung von Wasserstoff zu erhöhen.
Mit zunehmender Produktion und Einsatz von Wasserstoff kommt immer mehr die Frage auf, inwieweit etablierte Freistrahlmodelle geeignet sind die Freisetzung von Wasserstoff aus Ausbläsern ausreichend genau zu berechnen, um darauf aufbauend Aussagen zum Explosionsschutz treffen zu können. Ein Vergleich mit experimentellen Untersuchungen zeigt, dass die Berechnungen von Modellen, die z.B. für Erdgas geeignete sind, für sehr leichte Gase größere Abweichungen ergeben können. Es sind daher Modifikationen für das Integralmodell von Schatzmann und das empirische Modell von Chen/Rodi entwickelt und mit experimentellen Untersuchungen verglichen worden. Bei einer verzögerten Zündung der Wasserstoff-Gaswolke sind bei experimentellen Untersuchungen relevante Explosionsüberdrücke gemessen worden, die bei einer Gefährdungsbeurteilung berücksichtigt werden sollten. Hierfür ist ein Berechnungsansatz in Verbindung mit dem Multi-Energy-Modell entwickelt worden.