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Wasserstoff wird als ein potenzieller alternativer Energieträger gesehen, mit dem die für 2050 gesetzten Klimaziele erreicht werden könnten. Der Transport von Wasserstoff ist mittels verschiedener Speichertechniken möglich, von denen der kryogene Transport mit den größten volumetrischen Energiedichten einhergeht. Hierdurch eignen sich diese Speicher besonders für die energieintensiven Verkehrsmittel im Land-, See- und Flugverkehr.
Im Vortrag werden Speichertechniken, Gefahren im Umgang mit kryogenen Gasen sowie bisherige Störfälle dargestellt. Darauf aufbauend wird ein Teil der aktuellen Forschungsarbeit an der BAM vorgestellt, die die Sicherheit dieser Speicher unter außergewöhnlichen Belastungen adressiert.
Liquefied Natural Gas (LNG) aus regenerativen Quellen, stellt einen potenziellen Kraftstoff für den Schwer- und Fernverkehr des Straßenverkehrs dar. Gegenüber seinen positiven Eigenschaften zu dem in diesem Verkehrssektor häufig verwendeten Kraftstoff Diesel birgt der Kraftstoff aber auch Gefahren für Personen und Bauwerke durch seine sehr niedrige Temperatur bei der Speicherung von ca. -160 °C und seine Explosionsfähigkeit in der Gas-Phase. In der Arbeit wurde sich mit der Gefährdung von Personen und Bauwerken hinsichtlich der von LNG ausgehenden Gefahren in Tunneln auseinandergesetzt.
Tunnel stellen besonders schützenswerte Bauwerke dar, da aus vorhergehenden Störfällen in Tunneln bekannt ist, dass diese mit hohen Personen-, Bauwerks-, und Volkswirtschaftlichen-Schäden einhergehen können.
Untersuchungsschwerpunkt bei der Bewertung von Gefährdungen durch LNG stellte eine Ereigniskaskade bestehend aus Freisetzung, Verdampfung, Stoffausbreitung und Zündung des sich gebildeten explosionsfähigen LNG-Gas/Luft-Gemisches dar. Mit dem Ziel eine solche Ereigniskaskade realitätsnah vorhersagen und zukünftig hierzu Risikoanalysen durchführen zu können wurden innerhalb der Arbeit Parameterstudien sowie Kalibrierungen und Validierungen gegenüber experimentellen Untersuchungen durchgeführt.
Mit den Modellen wurden in der Arbeit exemplarische Fallbeispiele zu Störfällen untersucht. Ergebnisse dieser waren, dass Gefährdungen insbesondere von flüssigem LNG nach dessen Freisetzung und der Verbrennung von LNG-Gas/Luft-Gemischen ausgingen.
Der Markt von LNG als Transportgut und als Kraftstoff ist seit Jahrzehnten kontinuierlich am Wachsen, wobei das Hauptanwendungsgebiet im Schiffsverkehr lag. LNG ist verflüssigtes Erdgas mit Hauptbestandteil Methan, das neben fossilen, aus erneuerbaren Quellen, wie synthetischen Methan oder Biogas, gewonnen werden kann. LNG hat als Kraftstoff sehr gute Eigenschaften dessen Potenzial als alternativer Kraftstoff zu Diesel im Schwerlast- und Fernverkehr gesehen wird. Dabei weist LNG gegenüber Diesel geringere Emissionen von CO2, Feinstaub, Stickoxiden und Lärm auf und hat gegenüber anderen erneuerbaren Energiespeichern wie CNG, Elektrobatterien oder Wasserstoff die höchste volumetrische und zweitgrößte gravimetrische Energiedichte. Neben seinen Vorteilen zu anderen erneuerbaren Energieträgern birgt LNG durch seine sehr niedrige Temperatur von bis zu 160°C und seiner Brennbarkeit aber auch neue Gefahren für Personen und Infrastrukturen.
Zur Bewertung von Gefahren und zur späteren Durchführung von Risikobewertungen bedarf es Methoden und Modellen deren Untersuchung Ziel des Forschungsprojekts war. Schwerpunkt der Untersuchung stellt die Freisetzung von LNG in Tunnel, mit sich anschließender Stoffausbreitung und verzögerter Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches dar. Unfallszenarien mit Brandereignissen in Tunnel haben gezeigt, dass diese meist mit hohen Personen, Bauwerks und volkswirtschaftlichen Schäden verbunden sind. Des Weiteren zeigten Untersuchungen das von Gasexplosionen in Umschließungen wie sie ein Tunnel darstellt, mehr Gefahren ausgehen als von Gasexplosionen im Freifeld.
Im Vortrag werden die untersuchten Modelle und die aus dem Projekt gewonnenen Erkenntnisse für die Stoffausbreitung und Verbrennung der Gasphase von LNG in Umschließungen vorgestellt.
The ongoing geo-political conflicts and the increasing need for the implementation of measures to improve the energetic system sustainability are increasing the importance of tanks for storing cryogenic fluids in the energy industry. The most common example of cryogenic tank applications is the transport of natural gas and hydrogen in their liquid form (LNG and LH2 respectively) for which, considering the same transport volume cryogenic storage ensures significantly higher transport capacities with respect storage based solely on overpressure.
A common feature of all cryogenic transported fluids is that their condition must be maintained minimizing heat leaks from the environment as much as possible. This is achieved by the implementation of thermal super Insulations (TSI) systems based on e. g. rock wool, perlites, microspheres, multilayer insulations (MLI), and vacuum which have proven to be effective in applications. However, due to the relatively short period of use in some applications, the small number of documented incidents, and the still few investigations carried out in the field, the exploitation of such systems in the cryogenic fluids transport sector still suffers from insufficient knowledge about the course and consequences of incidents. Accidents involving collisions, fires, and their combination are quite common in the transportation sector and may generate extraordinary loads on the tank and its insulation system, eventually leading to tank failure.
The present study focuses on the behavior of TSI systems in tanks when it is exposed to an external heat source representative of a hydrocarbon fire scenario. This may cause an increase of the heat flux into a tank by several orders of magnitude with respect to normal design conditions, thus inducing severe and in the TSI, causing the rapid release of flammable gas and even resulting in a Boiling Liquide Expanding Vapour Explosion (BLEVE).
To study such scenarios a test rig was developed at BAM that allows testing of TSI at industrial conditions and enables subsequent analysis of TSI samples. This test rig considers the typical double-walled design of tanks for cryogenic fluids with vacuum and an additional insulating material in the interspace. Adjustable electrical heating elements simulate the fire on one side of the double wall. This process allows the implementation of repeatable heat loads of up to 100 kW/m². The other side of the double wall is represented by a fluid-supported heat exchanger, which allows the simulation of cold or cryogenic conditions in the test rig, and to determine the heat flux transmitted through the double wall. Thus, the test rig allows thermal loading and performance analysis of TSI samples at the same time.
In the presentation, the results of diverse tested TSI systems will be presented and discussed. As a result of this study, the list of advantages and disadvantages for the choice of tested TSI expands. Within the test, all samples degraded as a consequence of a hydrocarbon fire-orientated thermal load. Strong differences in the behavior of the tested TSI systems over temperature, location, and time were observed. Additionally, the tested MLI insulations were significantly more resistant to their base materials. These results are relevant for the design, the definition of national and international regulations, the Risk assessment, and the development of safety concepts for cryogenic tanks.
Motivation:
- Reduktion der CO 2 Emissionen von Verbrennungsmotoren durch den Einsatz von LNG als alternativer Kraftstoff
- Aktuell werden doppelwandige Edelstahltanks mit Vakuumisolation für den Transport eingesetzt
- Reduktion des Tankgewichts und Vereinfachung der Konstruktion soll durch die Substitution mit GFK inklusive einer Isolationsschicht erreicht werden
- Leichtere Überprüfung von einwandigen Tankkonstruktionen
- Günstiges Versagensverhalten von GFK im Brandfall
Zusammenfassung:
- Thermische Performance kann mit Isolation aus PU Schaum erreicht werden
- Messung der Abdampfrate bildet einfache Möglichkeit zur Bestimmung der thermischen Performance
- Mikrorisse in der Matrix führen zur Leckage -> Liner notwendig
- Biegemodul bis 30 MPa vergleichbar, danach Abfall um ca. 50 % bei tiefen Temperaturen
Ausblick:
- Prüfung von GFK Proben mit Fasern in 0°-Orientierung
- Prüfung der thermischen Performance mit Demonstratoreinheiten verschiedene Größen
- Entwicklung einer Skalierungsfunktion, um Ergebnisse von druckloser Prüfung auf Druckanstieg zu übertragen
This paper describes the testing methods used to determine the thermal properties of insulation materials and mechanical properties of materials used for the load-bearing structure for pressure tanks (up to 4 bar, relative) and cryogenic liquids (LNG, −166 °C to -157 °C at atmospheric pressure). Goal is to design a transportation tank that does not exceed 4 bars (relative) within 10 h, starting at atmospheric pressure. PUR-foam is a suitable material for the insulation. A 12,5 l small scale tank prototype reached 4 bar (relative) within 87 minutes, which is, regarding the influence of the size, a satisfying result. The mechanical properties change significantly at cryogenic temperatures. The bending modulus is similar at first, but decreases at a certain point by appr. 50 %. However, the maximum stress is much higher and could not be reached within this testing setup.
To reduce the emission of carbondyoxide (CO2) of combustion engines, liquefied natural gas (LNG) is used as an alternative fuel. LNG is transported via truck, ship or railway for long distances. Double walled stainless steel tanks are used for transportation, which are heavy and expensive. The vacuum insulation between the two walled structure ensures that the LNG stays liquid over the transportation time (boiling point of LNG: -162 ◦C). This causes a high temperature difference between the transported good and the ambient air.
A simplified tank construction is used to reduce the weight and price of the tank. Instead of stainless steel, glass fiber reinforced plastic (GFRP) is used. The design is changed to a single walled construction with a solid insulation material outside on the GFRP structure.
Goal of this work is the characterization of a suitable insulation material and configuration as well as the analysis of the mechanical properties of GFRP under cryogenic conditions. Several experiments are carried out. Numerical models of these experiments can then be used for parameter studies.