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Organisationseinheit der BAM
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- 2 Prozess- und Anlagensicherheit (96)
- 2.1 Sicherheit von Energieträgern (82)
- 9.4 Integrität von Schweißverbindungen (73)
- 3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher (72)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (64)
- 9.0 Abteilungsleitung und andere (56)
- 7 Bauwerkssicherheit (52)
- 7.6 Korrosion und Korrosionsschutz (44)
- 3.5 Sicherheit von Gasspeichern (42)
Paper des Monats
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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.
Hinsichtlich ihrer sicherheitstechnischen Kenngrößen (STK) unterscheiden sich Wasserstoff und Erdgas zum Teil stark. Im Vortrag werden verschiedene STK von Erdgas/Wasserstoff-Gemischen im Abhängigkeit des Wasserstoffanteils vorgestellt und die Auswirkung der Beimischung von Wasserstoff zum Erdgas auf die Wirksamkeit von Explosionsschutzmaßnahmen erläutert.
Im Beitrag werden die sicherheitstechnischen Eigenschaften von Wasserstoff diskutiert. Sowohl die Herstellung durch Wasserelektrolyse als auch die Einspeisung von Wasserstoff ins Erdgasnetz werden im Hinblick auf mögliche Gefahren durch die Veränderung von sicherheitstechnischen Kenngrößen unter Prozessbedingungen betrachtet.
Die Effizienz von Gassensoren zur sicheren Verwendung von Wasserstoff hängt wesentlich von der Reaktion des Sensors auf eine Änderung der Wasserstoffkonzentration ab. Daher wurde die Ansprechzeit von fünf im Handel erhältlichen Wasserstoffsensoren unterschiedlichen Messprinzips bestimmt. Experimente haben gezeigt, dass alle Sensoren die Anforderungen der Norm ISO 26142 übertreffen; es wurden Ansprechzeiten im Bereich (t90-Zeiten) von 2 s bis 16 s ermittelt. Die Ergebnisse können mit Exponential- oder Sigmoidalfunktionen approximiert werden. Es kann gezeigt werden, dass die Ergebnisse zum transienten Verhalten sowohl von den Betriebsparametern der Sensoren und Prüfverfahren als auch von den experimentellen Bedingungen wie Gaswechselrate sowie Konzentrationssprung abhängen.
Bei der Power-to-Gas-Technologie wird überschüssiger Strom aus erneuerbaren Ener-gien durch Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff umgewandelt. Dieser Wasserstoff kann als „chemischer Energiespeicher“ dienen und rückverstromt werden oder aber in das Erdgasnetz eingespeist werden. Die BAM hat die Auswirkungen von Wasserstoffzu-sätzen zum Erdgas im Hinblick auf den Explosionsschutz untersucht und sicherheitstechnische Kenngrößen für Erdgas-Wasserstoff-Gemische bestimmt.
Von besonderem Interesse waren dabei die Explosionsgrenzen, die Sauerstoffgrenzkonzentration, die maximalen Explosionsdrücke, die KG-Werte und die Normspaltweiten. Für die Messungen sind zwei Modellgase eingesetzt worden, reines Methan und ein Modell-Erdgas mit Anteilen höherer Kohlenwasserstoffe. Sie repräsentieren die Bandbreite der in Deutschland eingesetzten Erdgase.
Die Untersuchungen ergaben, dass bei einem Zusatz von bis zu 10 Mol-% Wasserstoff keine der untersuchten Kenngrößen signifikant beeinflusst wird. Die Gemische haben nur geringfügig erweiterte Explosionsbereiche und bleiben, wie die reinen Erdgase, in der Explosionsgruppe IIA. Auch die maximalen Explosionsdrücke und die zeitlichen Druckanstiege bei den Gasexplosionen werden nur wenig beeinflusst.
Wasserstoff unterscheidet sich hinsichtlich der sicherheitstechnischen Eigenschaften von anderen brennbaren Gassen, v.a. durch die sehr niedrige Mindestzündenergie und die sehr hohe Flammengeschwindigkeit. Durch Beimischung von Wasserstoff zum Erdgas ändern sich die sicherheitstechnischen Eigenschaften zum Teil in kritischer Richtung. Bis zu einem Wasserstoffanteil von 10 Mol-% im Erdgas ist aber keine wesentliche Anpassung der Maßnahmen für den Explosionsschutz erforderlich. Synthesgas ist ein weiteres Wasserstoffgemisch das in Zukunft vermutlich zunehmend relevant sein wird. Die beiden Komponenten Wasserstoff und Kohlenmonoxid haben zwar in mancher Hinsicht ähnliche sicherheitstechnische Eigenschaften unterscheiden sich aber auch sehr stark bzgl. der Mindestzündenergie und der Flammengeschwindigkeit.
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.
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.
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.
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.
Die BAM ist nahezu über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg wissenschaftlich tätig. Von der sicheren und effizienten Wasserstofferzeugung (POWER-to-GAS), über die (Zwischen-)Speicherung von Wasserstoff in Druckgasspeichern bis hin zum Transport bspw. mittels Trailerfahrzeug zum Endverbraucher.
Komplettiert werden die Aktivitäten der BAM durch die sicherheitstechnische Beurteilung von wasserstoffhaltigen Gasgemischen, die Verträglichkeitsbewertung von Werkstoffen bis hin zur Detektion von Wasserstoffkonzentrationen über geeignete Sensorik, auch mittels ferngesteuerter Messdrohnen (sog. UAV-Drohnen).
Zudem untersucht die BAM proaktiv Schadensrisiken und Unfallszenarien für die Sicherheitsbetrachtung, um mögliche Schwachstellen aufzeigen und potenzielle Gefährdungen erkennen zu können.
Bei der Power-to-Gas-Technologie wird überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energien durch Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff umgewandelt. Dieser Wasserstoff kann als „chemischer Energiespeicher“ dienen und rückverstromt werden oder aber in das Erdgasnetz eingespeist wer-den. Im Rahmen dieser Arbeit sind die Auswirkungen von Wasserstoffzusätzen zum Erdgas im Hin-blick auf den Explosionsschutz untersucht und die sicherheitstechnischen Kenngrößen für Erdgas-Wasserstoff-Gemische bestimmt worden. Von besonderem Interesse waren diejenigen Kenngrößen, die für reines Methan (Erdgas) und Wasserstoff deutliche Unterschiede aufweisen. Anders als bei vielen Literaturquellen, sollten im Rahmen dieser Arbeit die im Bereich der ATEX geltenden, harmo-nisierten Normen zur Bestimmung der Kenngrößen angewendet werden.
Die Untersuchungen ergaben, dass bei einem Zusatz von bis zu 10 Mol-% Wasserstoff keine der un-tersuchten Kenngrößen relevant beeinflusst wird. Die Gemische haben nur geringfügig erweiterte Explosionsbereiche und bleiben, wie die reinen Erdgase, in der Explosionsgruppe IIA. Auch die ma-ximalen Explosionsdrücke und die maximalen zeitlichen Druckanstiege bei Gasexplosionen werden nur wenig beeinflusst. Vergleichende Berechnungen zur Festlegung von explosionsgefährdeten Be-reichen (Ex-Zonen) auf Basis von Gasausbreitungsberechnungen ergaben ebenfalls nur geringfüge Unterschiede zum reinen Erdgas. Der Einsatz von Gaswarngeräten, die für Erdgas kalibriert wurden, ist für Erdgas-Wasserstoff-Gemische grundsätzlich möglich, erfordert aber eine gesonderte Sicher-heitsbewertung und ggf. eine Nachjustierung.
Bei der Power-to-Gas-Technologie wird überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energien durch Elektroly-se von Wasser in Wasserstoff umgewandelt. Dieser Wasserstoff kann als „chemischer Energiespeicher“ dienen und rückverstromt werden oder aber in das Erdgasnetz eingespeist werden. Die BAM hat die Aus-wirkungen von Wasserstoffzusätzen zum Erdgas im Hinblick auf den Explosionsschutz untersucht und sicherheitstechnische Kenngrößen für Erdgas-Wasserstoff-Gemische bestimmt.
Untersucht wurden die Explosionsgrenzen, die Sauerstoffgrenzkonzentrationen, die maximalen Explosi-onsdrücke, die KG-Werte und die Normspaltweiten. Für die Messungen sind zwei Modellgase eingesetzt worden, reines Methan und ein Modell-Erdgas mit Anteilen höherer Kohlenwasserstoffe. Sie repräsentie-ren die Bandbreite der in Deutschland eingesetzten Erdgase. Die Untersuchungen ergaben, dass bei einem Zusatz von bis zu 10 Mol-% Wasserstoff keine der untersuchten Kenngrößen relevant beeinflusst wird. Die Gemische haben nur geringfügig erweiterte Explosionsbereiche und bleiben, wie die reinen Erdgase, in der Explosionsgruppe IIA. Auch die maximalen Explosionsdrücke und die zeitlichen Druckanstiege bei den Gasexplosionen werden nur wenig beeinflusst.
Vergleichende Berechnungen zur Festlegung von explosionsgefährdeten Bereichen (Ex-Zonen) auf Basis von Gasausbreitungsberechnungen ergaben ebenfalls nur geringfüge Unterschiede im Rahmen der Fehler-toleranz für Erdgas und Erdgas-Wasserstoff-Gemische mit bis zu 10 Mol-% Wasserstoff. Die Berechnun-gen sind in der BAM nach einem Freistrahlmodell von Schatzmann und mit dem häufig bei Gasnetzbetrei-bern eingesetzten e.BEx-Tool® durchgeführt worden.
Der Einsatz von Gaswarngeräten, die für reines Erdgas geeignet sind, ist für Erdgas-Wasserstoff-Gemische mit bis zu 10 Mol-% Wasserstoff grundsätzlich möglich, erfordert aber eine gesonderte Sicher-heitsbewertung und ggf. eine Nachkalibrierung.
In einem von der BG ETEM geförderten Vorhaben wurden sicherheitstechnische Kenngrößen für den Explosionsschutz von Erdgas-Wasserstoff-Gemischen nach den aktuellen europäischen Normen gemessen. Dabei können für Stoffmengenanteile bis zu 10% Wasserstoff folgende Aussagen getroffen werden: Die unteren Explosionsgrenzen und Sauerstoffgrenzkonzentrationen verändern sich nur wenig. Der Einfluss auf Explosionsdrücke und KG-Werte ist ebenfalls vernachlässigbar. Die Modellgase mit Wasserstoffanteilen von bis zu 10 Mol-% erfüllen weiterhin sicher die Voraussetzung für die Ex-Gruppe IIA. Höhere Wasserstoffanteile (> 30%) können einige Kenngrößen relevant beeinflussen (z. B. OEG, LOC, MESG, KG).
In einem Vorhaben wurden sicherheitstechnische Kenngrößen für den Explosionsschutz von Erdgas-Wasserstoff-Gemischen nach den aktuellen europäischen Normen gemessen. Dabei können für Stoffmengenanteile bis zu 10% Wasserstoff folgende Aussagen getroffen werden:
Die unteren Explosionsgrenzen und Sauerstoffgrenzkonzentrationen verändern sich nur wenig.
Der Einfluss auf Explosionsdrücke und KG-Werte ist ebenfalls vernachlässigbar.
Die Erdgase mit Wasserstoffanteilen von bis zu 10 Mol-% erfüllen weiterhin sicher die Voraussetzung für die Ex-Gruppe IIA.
Höhere Wasserstoffanteile (> 30%) können einige Kenngrößen relevant beeinflussen (z. B. OEG, LOC, MESG, KG).
Berechnungen zeigen nur geringen Einfluss von 10 % H2 auf die Gasausbreitung.
Gaswarngeräte müssen in der Regel neu kalibriert werden.
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.
In-situ ED-XRD und Radiographie während eines Zugversuchs an wasserstoffbeladenem Supermartensit
(2017)
In diesem Vortrag werden Ergebnisse von in situ Experimenten am Berliner Elektronenspeicherring (BESSY II) vorgestellt. Es wurden Zugversuche an wasserstoffbeladenen und wasserstofffreien supermartensitischen Proben durchgeführt und gleichzeitig sowohl Diffraktionsspektren als auch röntgenradiographische Bilder aufgenommen. Die energiedispersive Röntgendiffraktion ermöglichte dabei in-situ die dehnungsinduzierte Phasenumwandlung von Restaustenit zu Martensit zu beobachten. Die Radiographiebilder der zerreisenden Probe gaben Einblicke in das Bruchverhalten in Abhängigkeit vom Wasserstoffgehalt des Supermartensits.
Die wasserstoffunterstützte Schädigung von Komponenten und Bauteilen aus Stahl ist ein Phänomen, welches seit vielen Jahrzehnten bekannt ist und untersucht wird. Eine Vielzahl von Quellen (z.B. Schutzgas oder Feuchtigkeit beim Schweißen, Reinigung von Metallen in Säurebädern, galvanischer oder kathodischer Schutz) ermöglicht die Wasserstoffaufnahme in den Stahl. Der im Gitter gelöste oder an Wasserstoffhaftstellen (Versetzungen, Grenzflächen, Poren, etc.) getrappte Wasserstoff diffundiert aufgrund von Konzentrationsgradienten oder getrieben durch Spannungs- bzw. Dehnungsgradienten durch das vorliegende Gefüge, wo er in Kombination mit einwirkenden Beanspruchungen (äußere Last oder Eigenspannungen) eine lokale, signifikante Degradation der mechanisch-technologischen Eigenschaften bewirken kann.
Die dazu entwickelten und allgemein anerkannten Schädigungsmodelle gehen unter anderem von einem Einfluss des Wasserstoffs auf die Versetzungsentstehung und Versetzungsbeweglichkeit aus. Des Weiteren wird angenommen, dass Wasserstoff nicht nur durch Diffusion im Gitter transportiert wird, sondern auch an Versetzungen angehaftet ist und sich mit diesen im Falle plastischer Verformung mitbewegt.
Wasserstoff hat im Vergleich zu den meisten üblichen Legierungselementen von Stahl (Eisen, Chrom, Kohlenstoff) einen großen Wechselwirkungsquerschnitt für kalte und thermische Neutronen, was Neutronenradiographie und -tomographie zu geeigneten bildgebenden Verfahren zur lokalen Detektion von Wasserstoffakkumulationen in Stahl macht.
Elektrochemisch mit Wasserstoff beladene Zugproben aus supermartensitischem Stahl wurden vor und nach dem Zugversuch an der ANTARES beamline am FRM II polychromatisch radiographiert bzw. tomographiert. Die Bruchoberfläche der Probe wurde zusätzlich rasterelektronenmikroskopisch charakterisiert. Die Fraktographien der Bruchoberfläche in Verbindung mit den durch die Tomographie gewonnenen Informationen zu Wasserstoffansammlungen zeigen, dass nach dem Bruch auch in duktilen Versagensbereichen untypischerweise vermehrt Wasserstoff zu finden ist.
Die dehnungsinduzierte Martensitbildung wurde mittels Röntgen-Diffraktion und -Radiographie mit dem EDDI-Instrument am BESSY II in supermartensitischem Stahl mit Anlassaustenit untersucht. Die Bildung wird durch Wasserstoff im Gefüge unterdrückt. Die Duktilität von wasserstofffreiem SMSS korreliert mit dem Anteil an dehnungs-induziertem Martensit
Die Ergebnisse von in-situ Experimenten am Berliner Elektronenspeicherring (BESSY II) werden vorgestellt. Es wurden Zugversuche an wasserstoffbeladenen und wasserstofffreien supermartensitischen Proben durchgeführt und Diffraktionsspektren und radiographische Bilder aufgenommen. Die energiedispersive Röntgendiffraktion ermöglichte dabei die dehnungsinduzierte Phasenumwandlung von Restaustenit zu Martensit in-situ zu beobachten. Die Radiographiebilder der zerreisenden Probe gaben Einblicke in das Bruchverhalten in Abhängigkeit vom Wasserstoffgehalt des Supermartensits.
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.
Für den sicheren Betrieb von Brennstoffzellen und für die Hochdruckwasserelektrolyse wurden die Explosionsgrenzen und Explosionsdrücke von Wasserstoff und Wasserstoff/Methan-Gemischen bei Anfangsdrücken von bis zu 200 bar gemessen. Der Bericht gibt eine Übersicht über die Druck- und Temperaturabhängigkeiten der Explosionsbereiche mit Luft und Sauerstoff als oxidierende Komponenten. Dabei waren ebenfalls die Grenzwerte zur Inertisierung der Gemische mit Stickstoff von Interesse. Für den sicheren Umgang mit Wasserstoff bei atmosphärischen Bedingungen sind die Dreistoffsysteme Brenngas/Stickstoff/Luft zusätzlich nach einer neuen europäischen Norm (prEN 1839) bestimmt worden.
In-situ ED-XRD und Radiographie während eines Zugversuchs an wasserstoffbeladenem Supermartensit
(2017)
Die Ergebnisse von in-situ Experimenten am Berliner Elektronenspeicherring (BESSY II) werden vorgestellt. Es wurden Zugversuche an wasserstoffbeladenen und wasserstofffreien supermartensitischen Proben durchgeführt und Diffraktionsspektren und radiographische Bilder aufgenommen. Die energiedispersive Röntgendiffraktion ermöglichte dabei die dehnungsinduzierte Phasenumwandlung von Restaustenit zu Martensit in-situ zu beobachten. Die Radiographiebilder der zerreisenden Probe gaben Einblicke in das Bruchverhalten in Abhängigkeit vom Wasserstoffgehalt des Supermartensits.
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.
Das europäische Projekt MefHySto befasst sich mit dem Bedarf an großmaßstäblichen Energiespeichern, die für eine Umstellung der Energieversorgung auf erneuerbare Energien erforderlich sind. Eine solche Speicherung ist entscheidend, um Energie zu Spitzenzeiten zu liefern, wenn die erneuerbaren Energiequellen schwanken. Eine mögliche Lösung für die Energiespeicherung ist der großtechnische Einsatz von Wasserstoff. Die messtechnische Rückführbarkeit in der Energieinfrastruktur für die Wasserstoffspeicherung ist dann von entscheidender Bedeutung und eine bessere Kenntnis der chemischen und physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff sowie rückführbare Messungen und validierte Techniken unverzichtbar.
Zur Speicherung überschüssiger erneuerbarer Energie kann Wasserstoff verwendet werden. Durch Elektrolyse wird mit Hilfe der elektrischen Energie aus Wasser Wasserstoff erzeugt. Dieser Wasserstoff kann dann direkt eingesetzt oder aber in das bestehende Erdgasnetz eingespeist werden. Hier steht er als Energieträger zur Verfügung.
Die BAM hat für den Explosionsschutz solcher Erdgas-Wasserstoff-Gemische die sicherheitstechnischen Eigenschaften bestimmt. Es zeigte sich, dass bis zu einen Anteil von 10% Wasserstoff im Erdgas sich die sicherheitstechnischen Kenngrößen nur wenig ändern. So verbleibt das Gemisch in der Explosionsgruppe IIa. Die Explosionsgrenzen, der KG-Wert und der max. Explosionsdruck ändern sich nur wenig. Zudem zeigen Berechnungen der explosionsgefährdeten Bereiche bei der Simulation von Leckagen, dass diese Gemische ähnliche Ausbreitungseigenschaften besitzen wie das reine Erdgas.
Zur Speicherung überschüssiger erneuerbarer Energie kann Wasserstoff verwendet werden. Durch Elektrolyse wird mit Hilfe der elektrischen Energie aus Wasser Wasserstoff erzeugt. Dieser Wasserstoff kann dann direkt eingesetzt oder aber in das bestehende Erdgasnetz eingespeist werden. Hier steht er als Energieträger zur Verfügung.
Die BAM hat für den Explosionsschutz solcher Erdgas-Wasserstoff-Gemische die sicherheitstechnischen Eigenschaften bestimmt. Es zeigte sich, dass bis zu einen Anteil von 10% Wasserstoff im Erdgas sich die sicherheitstechnischen Kenngrößen nur wenig ändern. So verbleibt das Gemisch in der Explosionsgruppe IIa. Die Explosionsgrenzen, der KG-Wert und der max. Explosionsdruck ändern sich nur wenig. Zudem zeigen Berechnungen der explosionsgefährdeten Bereiche bei der Simulation von Leckagen, dass diese Gemische ähnliche Ausbreitungseigenschaften besitzen wie das reine Erdgas.
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 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.
Sicherheitstechnische Untersuchungen von Wasserstoff Freistrahlflammen bei Hochdruck im Realmaßstab
(2024)
Wasserstoff als Energieträger gewinnt zunehmend an Bedeutung. Die Untersuchung von Störfallauswirkungen mit Wasserstoff rückt somit stärker in den Fokus. Da Wasserstoff meist unter Druck gelagert und transportiert wird, ist ein zu betrachtendes Szenario die Freisetzung aus einer Leckage mit anschließender Zündung. Die daraus resultierende Freistrahlflamme (Jet Flame) muss hinsichtlich der in die Umgebung emittierten Wärmestrahlung charakterisiert werden. In der Literatur existieren bereits verschiedene Modelle, welche jedoch vermehrt auf Daten aus Kohlenwasserstoffflammen mit geringem Impuls basieren. Zur Überprüfung dieser Modelle wird im Zuge des BAM internen H2 Jet Flame Projektes die sicherheitstechnische Untersuchung von impulsbehafteten Wasserstoff Freistrahlflammen vorgenommen. Hierfür finden Versuche im Realmaßstab auf dem Testgelände Technische Sicherheit der BAM (BAM-TTS) statt. Gegenstand der Untersuchungen ist die Beurteilung der Auswirkungen von realistischen Freisetzungsszenarien hinsichtlich der Flammengeometrie und der freigesetzten Wärmestrahlung. Dabei werden Parameter wie Freisetzungswinkel, Leckagedurchmesser (z.Zt. 1 mm bis 10 mm), Druck (z.Zt. bis max. 250 bar) und Massenstrom (bis max. 0,5 kg/s) variiert. Zusätzlich können auch Einflüsse wie Art der Zündung, Zündort sowie Zündung mit zeitlichem Verzug untersucht werden. Gewonnene Erkenntnisse werden mit den Ergebnissen bereits vorhandener Modelle verglichen und diese im Bedarfsfall weiterentwickelt. Insbesondere wird der Fokus auf die Modellierung der freigesetzten Wärmestrahlung von Wasserstoffflammen gelegt. Herausforderung dabei stellt die IR-Vermessung und Modellierung von Sichtmodellen der Flammen dar. Die Visualisierung der Flammengeometrie wird mit Hilfe mehrerer Infrarot Kamerasystemen (aus mindestens zwei Blickwinkeln) vorgenommen.
Bisherige Messungen, die in der Literatur zu finden sind, basieren meist auf instationären Auströmbedingungen. Der hier verwendete Versuchsaufbau ermöglicht ein stationäres Ausströmen für mehrere Minuten und somit eine direkte Vergleichbarkeit mit den existierenden (stationären) Modellen.
Weiterhin ist der Versuchsstand umrüstbar für Vergleichsmessungen mit Kohlenwasserstoffen (Methan etc.) sowie Mischungen aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen.
Bei der Power-to-Gas-Technologie wird überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energien durch Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff umgewandelt. Dieser Wasserstoff kann als „chemischer Energiespeicher“ dienen und rückverstromt werden oder aber in das Erdgasnetz eingespeist werden. Die Präsentation befasst sich mit den Auswirkungen von Wasserstoffzusätzen zum Erdgas im Hinblick auf den Explosionsschutz.
Von besonderem Interesse waren diejenigen Kenngrößen, die für reines Methan (Erdgas) und Wasserstoff deutliche Unterschiede aufweisen. Anders als bei vielen Literaturquellen, sollten im Rahmen dieser Untersuchungen ausschließlich die im Bereich der ATEX geltenden, harmonisierten Normen zur Bestimmung der Kenngrößen angewendet werden.
Die Untersuchungen ergaben, dass bei einem Zusatz von bis zu 10 Mol-% Wasserstoff keine der untersuchten Kenngrößen relevant beeinflusst wird. Die Gemische haben nur geringfügig erweiterte Explosionsbereiche und bleiben, wie die reinen Erdgase, in der Explosionsgruppe IIA. Auch die maximalen Explosionsdrücke und die zeitlichen Druckanstiege bei Gasexplosionen werden nur wenig beeinflusst.
Da die Zusammensetzung der Prozessgase bei Wasserstoffeinspeisung in das Netz schwanken kann, ist auf Basis experimenteller Daten ein Modell entwickelt worden, mit dem Explosionsgrenzen von reinem Brenngas und von Brenngas-Inertgas-Gemischen berechnet werden können.
Vergleichende Berechnungen zur Festlegung von explosionsgefährdeten Bereichen (Ex-Zonen) auf Basis von Gasausbreitungsberechnungen ergaben ebenfalls nur geringfüge Unterschiede zum reinen Erdgas.
Der Einsatz von Gaswarngeräten, die für Erdgas kalibriert wurden, ist für Erdgas-Wasserstoff-Gemische grundsätzlich möglich, erfordert aber eine gesonderte Sicherheitsbewertung und ggf. eine Nachjustierung.
Messverfahren für Wasserstoff: Qualität durch Zertifizierung – Standortvorteile in Deutschland
(2021)
Die Veranstaltungsreihe "Neue Märkte erschließen – mit Normen und Standards hoch hinaus", die vom DIN gemeinsam mit der NOW GmbH organisiert wird, richtets sich vorwiegend an KMUs. Fokus der Veranstaltung sind Messverfahren für Wasserstoff. Der Beitrag der BAM führt sehr kurz die Rolle nationaler und internationaler Normung sowie weltweiter Metrologie im Rahmen der Meterkonvention bezüglich analytischer Qualitätssicherung und Zertifizierung von Gasen und Referenzmaterialien ein. Es werden aktuelle Beispiele für die Qualitätssicherung von Wasserstoff, mögliche dazu notwendige Ausrüstung und weiterführende Literaturquellen vorgestellt.
In situ ED XRD und Radiographie während eines Zugversuchs an wasserstoffbeladenem Supermartensit
(2019)
Die Ergebnisse von in-situ Experimenten am Berliner Elektronenspeicherring (BESSY II) werden vorgestellt. Es wurden Zugversuche an wasserstoffbeladenen und wasserstofffreien supermartensitischen Proben durchgeführt und Diffraktionsspektren und radiographische Bilder aufgenommen. Die energiedispersive Röntgendiffraktion ermöglichte dabei die dehnungsinduzierte Phasenumwandlung von Restaustenit zu Martensit in-situ zu beobachten. Die Radiographiebilder der zerreisenden Probe gaben Einblicke in das Bruchverhalten in Abhängigkeit vom Wasserstoffgehalt des Supermartensits.
Die Zahl der Biogasanlagen in Deutschland hat mit dem Ausbau regenerativer Energie stark zugenommen. In den Anlagen wird durch Zersetzung von organischem Material entzündbares Biogas gewonnen, das in seiner Zusammensetzung stark schwankt. Hauptbestandteile von Biogas sind Methan und Kohlendioxid aber auch je nach Prozessstufe Wasserdampf, Stickstoff, Sauerstoff und Verunreinigungen, die teilweise toxisch sein können. Zudem beginnt man in größeren Anlagen Biogas zu Biomethan aufzuarbeiten, um dann direkt ins Erdgasnetz einspeisen zu können. In der Entwicklung befinden sich zurzeit auch gekoppelte Biogas- und Elektrolyseanlagen. Mit Hilfe der Elektrolyse von Wasser können Überschüsse an elektrischer Energie aus Wind- und Solaranlagen zu Wasserstoff verarbeitet werden (Power-to-Gas-Technologie). Um zuverlässige Daten für den Explosionsschutz beim Umgang mit den in den Anlagen vorhandenen Gasgemischen zur Verfügung zu stellen, hat die BAM in den letzten Jahren Explosionsbereiche von Gemischen aus Methan, Wasserstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf, Luft und Sauerstoff in Anlehnung an die Norm EN 839 gemessen und als Eckdaten zur Verfügung gestellt. Mit Hilfe dieser Daten lässt sich die Explosionsfähigkeit der Gasgemische in Biogasanlagen zuverlässig abschätzen. Auf dieser Grundlage können entsprechende Explosionsschutzmaßnahmen vorgenommen werden.
Fügetechnik für die neue Wasserstoffökonomie – Werkstoffe, Schweißtechnologien, Perspektiven –
(2021)
Die Studie gibt einen Überblick über die Aspekte der Fügetechnik und ihrer Bedeutung in Wasserstofftechnologien. Dazu werden die Grundlagen der Technologiefelder Wasserstofferzeugung, -speicherung, -transport und -nutzung vorgestellt und der Stand der Technik der fügetechnischen Fertigung von Komponenten in Wasserstofftechnologien zusammengefasst. Dabei werden nicht nur exklusiv Metalle betrachtet. Anhand repräsentativer Beispiele aus der Praxis, Forschung und Entwicklung wird die Bedeutung der Fügetechnik in Wasserstofftechnologien klar herausgestellt und mögliche Perspektiven für die Zukunft abgeleitet. Hier ist ersichtlich, dass Fügetechnologien wesentliche Bedeutung für die erfolgreiche Umsetzung von technischen Komponenten der Wasserstofftechnologien haben, von der Erzeugung bis zur Anwendung. Aus gesamtwirtschaftlicher Sicht umfassen die Schwerpunkte bzw. Trends der Fügetechnik dabei: die Erstellung neuer Infrastruktur für Wasserstoffspeicherung und -transport sowie die sichere Umnutzung der bestehenden Erdgasinfrastruktur. Bei der Wasserstoffanwendung wird die effiziente massentaugliche Produktion von Brennstoffzellen immer wichtiger. Es ist zudem klar ersichtlich, dass die additive Fertigung bereits jetzt ein hohes Potential für Komponenten von Wasserstofftechnologien besitzen und dieses wachsen wird. Aus den perspektivischen Anwendungen ergeben sich zudem Herausforderungen und Forschungsbedarfe für die notwendigen nationalen und internationalen Regelwerke und technischen Normen. Schwerpunktmäßig sind hierbei die bereits bestehenden Empfehlungen und kodifizierten Regeln vollständig zu adaptieren und in die Aus- und Weiterbildung von fügetechnischem Fachpersonal einzubetten.
Wasserstoff kann in Überlagerung mit Beanspruchungen zu einem unerwarteten Werkstoffversagen in höherfesten Stählen führen (wasserstoffunterstützte Schädigung von Metallen, starke Abnahme des Verformungsvermögens). In der Schweißtechnik besteht die Gefahr der wasserstoffunterstützten Kaltrissbildung. Die Aufnahme von Wasserstoff während des Schweißens lässt sich gänzlich nicht verhindern. Höherfeste Feinkornbaustähle um 700 MPa werden zunehmend mit unterschiedlichen Legierungskonzepten und Herstellungsrouten produziert. Diese Unterschiede erzeugen ein differentes Gefüge und Aussscheidungscharakteristik bei nominell ähnlichen Festigkeiten. Wichtige Vertreter sind der S690QL und der S700MC. Die Ergebnisse zeigen zum einen eine deutliche Abnahme der mechanisch-technologischen Gütewerte, zum anderen eine differente Degradation durch Wasserstoff. Signifikant ist die Abnahme der wahren Bruchdehnung bei bereits geringen Wasserstoffkonzentrationen unterhalb 4 ppm. Weiterhin wurde das Wasserstoffbindungsverhalten (Trapping) im Grundwerkstoff und im schweißsimulierten Gefüge untersucht. Die Ergebnisse zeigen Unterschiede hinsichtlich der Bindungsenergie und des Fallencharakters. Die Resultate belegen, dass eine Reduzierung des eingebrachten Wasserstoffs unabdingbar ist für einen sicheren Betrieb geschweißter Komponenten aus höherfestem Feinkornbaustahl.
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.
Beim BAM-UBA-Behördenerfahrungsaustausch 2022 hat die BAM zu dem Schwerpunktthema Wasserstoff den von der Bundesregierung avisierten Markthochlauf und das Thema Vertrauen durch Sicherheit vorgestellt. Dabei wurde das Kompetenzzentrum H2Safety mit seinen derzeitigen Aktivitäten ebenso vorgestellt wie sicherheitstechnische Fragestellungen, die über die Wertschöpfungskette hinweg derzeit existieren. Dabei handelt es sich um Fragestellungen zur Materialeignung und -kompatibilität, Leckageüberwachung, Schutzkonzepte und Unfallszenarien. Darüber hinaus gibt es Themen, die keinen direkten Bezug zur Sicherheit haben, aber das Vertaruen in Wasserstofftechnologien deutlich fördern können. Neben Aus- und Weiterbildungskonzepten wurden auch die Themen Akzeptanz und Risikokommunikation sowie Normung und Standardisierung behandelt.
Im Vortrag werden die sicherheitstechnischen Kenngrößen des Explosionsschutzes von Erdgas-Wasserstoff-Gemischen erläutert. Der Einfluss von Wasserstoffeinspeisung in Erdgasnetze wird dargestellt und diskutiert. Die Stoffdaten der Erdgas-Wasserstoff-Gemische sind im Rahmen eines von der BG-ETEM geförderten Vorhabens in der BAM gemessen worden. Basis dieser Messungen waren in Europa harmonisierte Normen.
Mit Hilfe von numerischen Methoden sind explosionsgefährdete Bereiche um Abblasvorrichtungen bei Erdgas-Wasserstoff-Gemischen im Vergleich zum reinen Erdgas betrachtet worden. Der Vortrag gibt weiterhin Hinweise auf Auswirkungen von Wasserstoffzusätzen auf Gaswarngeräte.
Die Reibeigenschaften von PEEK-Materialien gegen Stahlscheiben wurden in Luft, Vakuum und Wasserstoffumgebung untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass reines PEEK umgebungsabhängig ist und die Desorption von Gasen im Vakuum zu hohen Verschleißraten führt. Die niedrigsten Verschleißraten sowohl in Vakuum als auch in einer Wasserstoffumgebung erzielen TiO2-Partikel. Ferner treten chemische Prozesse in den Materialien und im Tribokontakt auf und interagieren miteinander.
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.
Im Rahmen des 6. Lausitzer Netzwerktreffens DurcH2atmen hat die BAM das Kompetenzzentrum H2Safety sowie aktuell drei große Projekte zur Schaffung einer Testinfrastruktur auf dem BAM TTS vorgestellt. Es handelt sich hierbei um die vom BMWK geförderten Projekte ModuH2Pipe (Modulare Pipelineanlage zur Untersuchung sicherheitstechnischer Fragestellungen beim Transport von Wasserstoff und Wasserstoff/Erdgasgemischen in Pipeline) und QI Digital "Usecase" Wasserstofftankstelle" sowie den Aufbau einer Höchstdruckinfrastruktur für die Bereitstellung von 1000 bar Wasserstoff in einem 5 m³-Behälter inkl. Peripherie.
Im Vortrag werden die für den Betrieb der Erdgasnetze relevanten Kenngrößen des Explosionsschutzes erläutert. Der Einfluss von Wasserstoffeinspeisung auf diese Kenngrößen wird dargestellt und diskutiert. Die Stoffdaten der Erdgas-Wasserstoff-Gemische sind im Rahmen eines von der BG-ETEM geförderten Vorhabens in der BAM gemessen worden. Basis dieser Messungen waren in Europa harmonisierte Normen.
Zudem sind mit Hilfe von numerischen Methoden berechnete explosionsgefährdete Bereiche von Erdgas-Wasserstoff-Gemischen im Vergleich zum reinen Erdgas betrachtet worden. Der Vortrag gibt weiterhin Hinweise auf Auswirkungen von Wasserstoffzusätzen auf Gaswarngeräte.
Zum Projektkonsortium H2Sense haben sich zusammengeschlossen: die ESAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung als Koordinator, das Joint Research Center der Europäischen Kommission, das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg sowie die Unternehmen AppliedSensor, Reutlingen, UST Umweltsensortechnik, Geschwenda und Sensitron, Cornaredo, Italien. Das Projekt wird finanziell unterstützt durch das Fuel Cell and Flydrogen Joint Undertaking (FCH JU), eine öffentlich-private Partnerschaft unter Beteiligung der Europäischen Kommission. Um den Austausch von Wissen, Erfahrungen und Know-how zu erweitern, arbeitet man erstmals bei einem FCFI-JU-geförderten Projekt auch mit dem amerikanischen National Renewable Energy Laboratory (NREL) zusammen.
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.
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.
Eine Anzahl verschiedener Effekte ergibt sich aus der Anwesenheit von Wasserstoff während des Schweißens hochlegierter Stähle. Die Betriebsdauer von geschweißten Bauteilen ist außerdem stark von der Anwesenheit von Wasserstoff im Umgebungsmedium und der Anfälligkeit der verschiedenen Schweißnahtgefüge für eine Degradation ihrer Eigenschaften durch Wasserstoff abhängig. Als eine relative neue Werkstoffgeneration finden supermartensitische hoch legierte Stähle (Supermartensitic Stainless Steels - SMSS) zunehmend als Ersatz für teuere Legierungen insbesondere in der Öl- und Gasindustrie Verwendung. Als Konsequenz ihres martensitischen Gefüges sind diese Legierungen anfällig für eine wasserstoffunterstützte Rissbildung (Hydrogen Assisted Cracking - HAC). Der Widerstand von supermartensitischen Stählen gegen wasserstoffunterstützte Spannungsrisskorrosion (Hydrogen Assisted Stress Corrosion Cracking - HASCC) unter Sauergasbedingungen wurde vor allem für industrielle Einsatzzwecke extensiv untersucht. Solche Studien vornehmlich an Grundwerkstoffen basieren überwiegend auf Standard-Prüfverfahren. Dem gegenüber würde das grundsätzliche Verhalten von Wasserstoff in den Gefügen geschweißter supermartensitischer Stähle wenig untersucht. Die zentralen Gründe für die diesem Beitrag zugrunde liegende Studie waren daher, die Effekte des Wasserstoffs auf das Gefüge von Wolfram Inert Gas (WIG)-Schweißungen supermartensitischer Stähle und die entsprechenden Wasserstoff-Trapping-Mechanismen zu untersuchen. Die Wirkungen des Wasserstoffs auf die verschiedenen WIG-geschweißten Gefüge wurden mittels Röntgendiffraktometrie, Lichtmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Eine Anzahl von Verfahren wurde außerdem angewendet, um den absorbierten Wasserstoff quantitativ zu bestimmen. Die Wechselwirkung zwischen Wasserstoff mit den mikrostrukturellen Defekten und die Charakteristika der Wasserstoffdesorption wurden mittels Thermischer Desorptionsspektroskopie (TDS) und Trägergas-Heißextraktionen des Wasserstoffs (LECO Analyse) untersucht. Die Wirkung des Gefüges auf die Absorption und Desorption von Wasserstoff werden im Detail diskutiert.
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.
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.
In der Offshore-Industrie werden seit langer Zeit austenitisch-ferritische Duplexstähle eingesetzt, da sie im Vergleich zu herkömmlichen austenitischen hochlegierten Stählen bessere Festigkeitseigenschaften aufweisen und gegenüber rein ferritischen hochlegierten Stählen eine bessere Verformbarkeit bei gleichzeitig verbesserter Korrosionsbeständigkeit, auch in aggressiver Umgebung, bieten. Dennoch zeigt das Schrifttum, dass es trotz dieser guten Eigenschaften zum Versagen von Bauteilen kommen kann, bei dem Wasserstoff für die Schadensursache eine entscheidende Rolle spielt.
Zur Klärung der Schädigungsmechanismen unter Einfluss von Wasserstoff kann die numerische Simulation einen entscheidenden Beitrag leisten, da sich experimentelle Ergebnisse besser deuten und zwischen Labortests bis hin zu Bauteilversuchen übertragen lassen. Bisher wurden jedoch meistens makroskopische numerische Betrachtungen zur wasserstoffunterstützten Werkstoffschädigung in Duplexstählen durchgeführt. Die Duplexstähle bestehen jedoch nahezu aus gleichen Teilen an austenitischer und ferritischer Phase, welche unterschiedliche mechanische Eigenschaften als auch Transporteigenschaften für Wasserstoff aufweisen. Zugleich bedingt dies eine unterschiedliche Empfindlichkeit für eine wasserstoffunterstützte Werkstoffschädigung. Daher bestand die Aufgabe dieser Arbeit in der Erstellung eines numerischen Mesomodells eines realen Duplexgefüges, mit dem die Abbildung des Wasserstofftransportverhaltens, der mechanischen Spannungen und Dehnungen sowie der Rissinitiierung und des Rissfortschrittes in den einzelnen Phasen möglich ist. Zudem werden moderne Röntgenbeugungsexperimente genutzt, um den Einfluss von Wasserstoff auf die phasenspezifischen mechanischen Eigenschaften zu bestimmen.
Für den Transport von Wasserstoff konnte eine deutliche Abhängigkeit von der Orientierung der austenitischen und ferritischen Phase im Gefüge gezeigt werden, wobei der Wasserstofftransport vornehmlich über die ferritische Phase erfolgt und der Wasserstoff im Austenit stärker getrappt wird. Die numerische Analyse der mechanischen Spannungen und Dehnungen in den Phasen des Duplexstahls zeigte, dass bei einer makroskopisch elastischen Beanspruchung des Duplexgefüges bereits lokal in den Phasen plastische Verformungen auftreten können. Damit verbunden ist ein erhöhtes Risiko für eine wasserstoffunterstützte Werkstoffschädigung bereits im makroskopisch elastischen Bereich, wenn ausreichend hohe Wasserstoffkonzentrationen im Duplexgefüge vorliegen. Die Ergebnisse der numerischen Simulation entsprechen den experimentellen Beobachtungen zum Wasserstofftransport und den lokalen Beanspruchungen in realen Duplexgefügen. Das Modell erlaubt somit die Identifikation risskritischer Bereiche und kritischer Kombinationen von Wasserstoffkonzentration und lokaler Beanspruchung im Duplexgefüge. Die Ergebnisse der simulierten wasserstoffunterstützten Werkstofftrennung stimmen mit experimentellen Beobachtungen zugehöriger Bruchtopographien überein.
Insgesamt wird erstmalig eine numerische Simulation der wasserstoffunterstützten Werkstoffschädigung im Duplexstahl, unter Berücksichtigung der lokalen Beanspruchung und Wasserstoffverteilung in den spezifischen Phasen (Austenit / δ-Ferrit), durchgeführt. Die Ergebnisse korrelieren mit experimentellen Beobachtungen und erlauben somit ein besseres Verständnis für die Mechanismen der wasserstoffunterstützten Werkstoffschädigung in Duplexstählen. Die Simulationen unterstützen die Deutung experimenteller Ergebnisse und ermöglichen die Übertragbarkeit auf reale Bauteile.
Bei neueren Verfahren zur Biogasgewinnung wird zusätzlich Wasserstoff in den Fermenter eingespeist, um den Methananteil im Biogas zu erhöhen. Dieses Verfahren bewirkt neben der CO2-Vermeidung eine Erhöhung des Brennwerts und der Qualität des Biogases. Zudem kann dafür, ähnlich wie bei der Einspeisung von Wasserstoff in das Erdgasnetz, Elektrolysewasserstoff aus Überschüssen von Wind- und Solarstrom verwendet werden (Power-to-Gas). Im Poster werden die sicherheitstechnischen Kenngrößen für den Explosionsschutz bei Prozessgasen dargestellt und diskutiert.
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.
BAM Update #2/2022
(2022)
Die Herausforderungen für die Fügetechnikbranche, die sich durch die neuen Wasserstoff-Technologiefelder „Erzeugung“, „Speicherung“, „Transport“ und „Nutzung“ ergeben, sind sehr vielfältig. Der DVS-Bericht 373 gibt dazu einen tieferen Einblick. Der hier vorliegende Kurzbericht stellt dazu ausgewählte Praxisbeispiele, zugehörige Herausforderungen und sich ergebende Chancen vor. Fügetechnologien haben dabei wesentliche Bedeutung für das erfolgreiche Umsetzen und Herstellen der benötigten technischen Komponenten, wie anhand der Themenkomplexe „Wasserstoff-Pipelines“ und „additive Fertigung“ betrachtet wird. Zudem ergeben sich Herausforderungen für die notwendigen Regelwerke und Normen, die nahezu vollständig angepasst oder geschaffen werden müssen.
Der Stahlbedarf in Deutschland wird maßgeblich neben dem Automobilsektor vom Maschinenbau und allgemeinen Bauwesen geprägt. In diesen Segmenten werden qualitativ hochwertige Stähle mit höchsten Ansprüchen an Festigkeit, Verformungsfähigkeit, schweißtechnische Verarbeitung und sicherheitsrelevante Aspekte gestellt. Wichtige Vertreter, welche diesen Ansprüchen gerecht werden, sind die heutigen modernen höherfesten FKB. Aus der Entwicklung dieser Stähle kristallisierten sich in den letzten Jahrzehnten verschiedene Legierungskonzepte und Herstellungsrouten heraus. Dem liegt neben essentiellen Eigenschaften, z.B. Streck- und Zugfestigkeit, noch weitere Anforderungen, bspw. Kaltumformbarkeit, Kerbschlagzähigkeit und Verschleißfestigkeit, zugrunde. Zunehmend werden im genormten Bereich mit Streckgrenzen bis 700 MPa neben den vergüteten Stählen (Q) auch thermomechanische Stähle (M) eingesetzt. Ein immerwährender paralleler Begleiter während der Stahlherstellung und -verarbeitung ist Wasserstoff.
Wasserstoff wird in den nächsten Jahren als Schlüsselelement für eine nachhaltige Energiewirtschaft angesehen. Aus heutiger Sicht ist Wasserstoff ein Hoffnungsträger für eine klimafreundliche Energiewirtschaft und zukunftsfähige Industrie. Forschung und Industrie arbeiten intensiv an der Erschließung und Weiterentwicklung des enormen Potentials, um eine höhere Nutzbarkeit zu erreichen. Die Gründe liegen zum einen darin, dass Wasserstoff als Brennstoff unproblematisch (Umweltverträglichkeit und Verfügbarkeit) ist und zum anderen ein hervorragender Energieträger ist.
Wasserstoff ist durch seine gebundene Form erst nach dem Lösen aus chemischen Verbindungen zugänglich. Dies geschieht für eine Nutzbarmachung in einer zukunftsfähigen Energiewirtschaft gezielt. Demgegenüber stehen Prozesse, wodurch Wasserstoff aus seiner chemischen Verbindung gelöst wird und aufgrund seiner Größe bzw. geringsten Atommasse von Werkstoffen aufgenommen wird. Damit verbunden interagiert der aufgenommene Wasserstoff mit dem Gefüge und kann zu einer negativen Beeinflussung der Eigenschaften des Werkstoffs führen.
Wasserstoff kann Degradationsprozesse in Stählen verursachen, die sich insbesondere auf die mechanischen Eigenschaften auswirken. Diese Mechanismen können wasserstoffunterstützte Risse in höherfesten Stählen während der Herstellung oder im industriellen Einsatz verursachen.
Elektrochemisch beladene Zugproben zeigen ein unterschiedliches Degradationsverhalten in ihren Eigenschaften. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Wechselwirkungen zwischen Wasserstoff und Gitterdefekten in unterschiedlichen mikrolegierten Systemen und wärmebeeinflussten Zonen in den schweißbaren Feinkornbaustählen. Die Ergebnisse zeigen eine klare Abhängigkeit zwischen Mikrolegierung und Herstellungsprozess dieser Stahlsorten, respektive ihrer simulierten wärmebeeinflussten Bereiche.
Die Zahl der Biogasanlagen in Deutschland hat mit dem Ausbau regenerativer Energie stark zugenommen. In den Anlagen wird durch Zersetzung von organischem Material entzündbares Biogas gewonnen, das in seiner Zusammensetzung stark schwankt. Hauptbestandteile von Biogas sind Methan und Kohlendioxid, aber auch je nach Prozessstufe Wasserdampf, Stickstoff, Sauerstoff und Verunreinigungen, die teilweise toxisch sein können. Zudem beginnt man in größeren Anlagen Biogas zu Biomethan aufzuarbeiten, um es dann direkt ins Erdgasnetz einspeisen zu können. In der Entwicklung befinden sich zurzeit auch gekoppelte Biogasund Elektrolyseanlagen. Mithilfe der Elektrolyse von Wasser können Überschüsse an elektrischer Energie aus Wind- und Solaranlagen zu Wasserstoff verarbeitet werden (Power-to-Gas-Technologie). Um zuverlässige Daten für den Explosionsschutz beim Umgang mit den in den Anlagen vorhandenen Gasgemischen zur Verfügung zu stellen, hat die BAM in den letzten Jahren Explosionsbereiche von Gemischen aus Methan, Wasserstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf, Luft und Sauerstoff in Anlehnung an die Norm EN 1839 gemessen und als Eckdaten zur Verfügung gestellt. Mit Hilfe dieser Daten lässt sich die Explosionsfähigkeit der Gasgemische in Biogasanlagen zuverlässig abschätzen. Auf dieser Grundlage können entsprechende Explosionsschutzmaßnahmen vorgenommen werden.
Die Studie gibt einen kurzen Überblick über die jetzige Bedeutung der Fügetechnik in Wasserstofftechnologien und über zukünftige Forschungsbedarfe für die Branche in den einzelnen Technologiefeldern Wasserstofferzeu-gung, -speicherung, -transport und -nutzung. Fügetechnologien haben dabei wesentliche Bedeutung für die er-folgreiche Umsetzung von technischen Komponenten der Wasserstofftechnologien. Die Schwerpunkte bzw. For-schungsbedarfe ergeben sich bspw. durch die Erstellung neuer Infrastruktur für Wasserstoffspeicherung und -transport sowie durch Umnutzung der bestehenden Erdgasinfrastruktur. Bei der Wasserstofferzeugung und -anwendung wird z.B. die Entwicklung effiziente Massenproduktionsmethoden von Elektrolyseuren und Brennstoff-zellen einen wichtigen Meilenstein bilden und laserbasierte Fügetechnologien sind hier zum Teil schon etabliert. Die additive Fertigung nimmt dabei eine Querschnittsposition ein und besitzt hohes Anwendungspotential für die Zukunft z.B. für die Fertigung von Komponenten in Gasturbinen. Aus den technischen Fragestellungen und For-schungsbedarfen ergeben sich zudem Herausforderungen für die notwendige Neu- und Weiterentwicklung von technischen Regelwerken und Normen und den Eingang in die Aus- und Weiterbildung von fügetechnischem Fachpersonal.
Risiko der Wasserstoffentwicklung an martensitischen Schraubankern unter baupraktischen Bedingungen
(2020)
Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich mit der Fragestellung, ob unter praxisrelevanten Bedingungen die Entstehung von Wasserstoff an vollmartensitischen Schraubankern möglich ist. Im Gegensatz zu austenitischen Werkstoffen besteht bei martensitischen Werkstoffen bei Gegenwart von Wasserstoff stets die Möglichkeit einer wasserstoffinduzierten Versprödung des Materials. Hierfür wurde ein in der Praxis häufig anzutreffendes Szenario gewählt, das ein galvanisches Element, bestehend aus nichtrostenden Schraubankern (in diesem Fall martensitischen) und einer verzinkten Ankerplatte an einem Betonkörper, umfasst. Zum Nachweis einer Wasserstoffentwicklung werden der Elementstrom zwischen den Bauteilen sowie das Korrosionspotential erfasst. Die Ergebnisse der Versuche zeigen, dass über eine zeitlich begrenzte Dauer eine starke kathodische Polarisation der martensitischen Schraubanker durch die korrosive Auflösung des Zinks erfolgt. Als Folge kommt es zur Wasserzersetzung im Phasengrenzbereich der Schraubanker und zur Entstehung von atomarem Wasserstoff. Das berechnete Gasvolumen des entstandenen Wasserstoffs an den Stahlankern wurde bestimmt und lag im Mittel bei 11,14 ± 1,94 ml. Eine Diffusion des an der Stahloberfläche adsorbierten Wasserstoffs in den martensitischen Werkstoff ist somit theoretisch möglich und impliziert eine mögliche Gefährdung durch wasserstoffinduzierte Rissbildung und spontanes Versagen unter Belastung.
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.
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.
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.
Die Messung der Gasfeuchte im Spurenbereich in unterschiedlichen technisch und
medizinisch relevanten Gasen erfolgte mit Sensoren, die auf dem coulometrischen
Messprinzip basieren. Die verwendeten planaren coulometrischen Sensoren wurden im
Frostpunkttemperaturbereich von -70 °C bis -30 °C in synthetischer Luft, Wasserstoff,
Stickstoff und Distickstoffmonoxid (Lachgas) untersucht. Als Referenz für die Messungen
wurde ein Präzisionstaupunktspiegel-Hygrometer verwendet. Die Gasfeuchte kann mit Hilfe
der Sensoren in allen untersuchten Gasen, aber mit geänderten Kalibrierfunktionen, mit einer
erweiterten Unsicherheit von kleiner als 2,1 K bestimmt werden. Für die Messungen in
unterschiedlichen Gasen muss also der Einfluss der Gasmatrix auf das Sensorsignal
berücksichtigt werden. So ist zum Beispiel bei Messungen in befeuchtetem Wasserstoff,
aufgrund von Rekombinationseffekten, ein signifikant geändertes Sensorsignal zu
beobachten.
Zur Umsetzung der wasserstoffbasierten Energiewende ist eine zuverlässige Transportinfrastruktur unverzichtbar. Hierfür ist die Nutzung großer Teile des vorhandenen Erdgasnetzes vorgesehen. Im Rahmen von Reparatur- und Wartungsarbeiten ist das Schweißen im Betrieb an Erdgaspipelines Stand der Technik. In Verbindung mit Wasserstoff wirft diese Technik jedoch Fragen der Materialverträglichkeit auf. Das im Vortrag vorgestellte Projekt H2SuD leistet Beiträge zur Aufklärung des Einflusses von Reparaturschweißprozessen auf die Wasserstoffaufnahme und Degradation im Betrieb befindlicher H2 Gasleitungen. Ein Schwerpunkt des Vortrages liegt auf der im Projekt erarbeiteten Prüfmethode für Modellversuche, mit denen der Einfluss von Schweißen im Betrieb an Pipelines auf die Wasserstoffaufnahme getestet wird. Die Durchführung erster Versuche und dabei erzielte Ergebnisse werden präsentiert.
Heute werden in Stahlkonstruktionen zunehmend hochfeste Baustähle (Streckgrenze ≥ 960 MPa) eingesetzt. Daher sind auch in Schweißnähten solche hohen Festigkeiten gefordert. Jedoch können hohe Eigenspannungen aufgrund geringerer plastischer Dehnungsreserven in diesen Schweißnähten die Sicherheit der Bauteile vermindern. Diese sind insbesondere im Zusammenhang mit Wasserstoff und Härtegefügen risskritisch. Niedrige Bauteilbeanspruchungen und Kosteneinsparungen lassen sich heutzutage mit modernen fokussierten Lichtbogenvarianten und engeren Nahtspalten erreichen. Die vorliegende Studie zeigt allerdings, dass diese modernen Schweißprozesse und die angepasste Nahtgeometrie höhere Wasserstoffkonzentrationen und signifikant gesteigerte oberflächennahe Zugeigenspannungsniveaus bedingen. Anhand mehrlagiger Schweißversuche an S960QL unter Variation von Wärmeführung, Lichtbogenvariante und Nahtöffnungswinkel wurden die Effekte und Wechselwirkungen unter Zuhilfenahme von Eigenspannungsanalytik mittels Röntgendiffraktometrie und Wasserstoffanalytik mittels Trägergasheißextraktion systematisch untersucht. Das Schweißgefüge führte unter kritischer mechanischer Beanspruchung und erhöhtem Gehalt an diffusiblem Wasserstoff insbesondere bei geringem Nahtöffnungswinkel und fokussiertem Lichtbogen zu einer deutlichen Ausbildung von Mikrorissen. Die Mikrorisse führten teils zu einer makroskopischen Ausprägung. Durch Analysen zur Nachwärmung aus der Schweißwärme heraus konnten suffiziente Wärmeführungsparameter für eine effektive Prävention solcher Risse erarbeitet werden. Die vorliegende Arbeit zeigt anhand des Interaktionssystems bei der wasserstoffunterstützten Kaltrissbildung Gefüge-Beanspruchung-Wasserstoff, welche Wärmeführungs- und Schweißparameter sich für die hochfesten Feinkornbaustähle zur Kaltrissvermeidung eignen.
Bei Geräten und Maschinen zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen gemäß 2014/34/EU muss in der europäischen Union eine Zündgefahrenbewertung durchgeführt werden. Dabei müssen unter anderem die Gefahren von nichtelektrischen Zündquellen betrachtet werden, zu denen auch die mechanischen Schlagvorgänge gehören.
Bei mechanisch erzeugten Schlag-, Schleif- und Reibvorgängen kommt es infolge des Zusammenstoßes bzw. des Reibens zweier Werkstücke bzw. Bauteile zu einer Umwandlung der kinetischen Energie. Dabei erhöht sich die Temperatur der Werkstoffe an der Kontaktstelle und es kommt unter Umständen zu einem Abtrennvorgang kleiner Partikel erhöhter Temperatur. Sowohl die heißen Kontaktstellen (Zündquelle "heiße Oberflächen") als auch die abgetrennten Partikel (Zündquelle "mechanisch erzeugte Funken") können eine wirksame Zündquelle für ein explosionsfähiges Gasgemisch darstellen.
Zur Festlegung von Grenzwerten wurden in der Norm DIN EN ISO 80079-36:2016 die Gasgemische anhand ihrer Explosionsgruppe klassifiziert und zu jeder Gruppe die maximale Energie des Schlagvorgangs festgelegt, unter derer die Entstehung einer wirksamen Zündquelle als unwahrscheinlich angenommen werden kann.
Ferner finden sich in der TRGS 723 Hinweise zum Umgang mit funkenarmen Werkzeugen im explosionsgefährdeten Bereich.
Introduction of H2Safety@BAM
(2021)
This contribution for the Open Forum of the 8th HSN Symposium introduces the SensRef activities of the Competence Centre H2Safety@BAM.
Die Ergebnisse des Forschungsprojektes zeigen, dass Schlagvorgänge mit Edelstählen eine erhebliche Zündgefahr von explosionsfähigen Brenngasgemischen darstellen können. Dabei bestehen jedoch mitunter deutliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Brenngasgemischen. Besonders hohe Zündwahrscheinlichkeiten konnten bei Brenngasgemischen mit Brenngasen der IEC-Explosionsgruppe IIC beobachtet werden, die Acetylen bzw. Wasserstoff als Brenngas enthielten. Schläge im Wasserstoff/Luft-Gemisch waren dabei jedoch bedeutend zündwirksamer. In diesem Gasgemisch konnte bei nied-rigen maximalen Schlagenergien bis 60 J sogar eine mitunter höhere relative Zündhäufigkeit beobachtet werden als bei Versuchen mit unlegiertem Baustahl.
Der Vortrag gibt einen tiefen Überblick über die Bedeutung der Füge- und Schweißtechnik in Wasserstofftechnologien. Dazu gliedert sich der Vortrag in die Komplexe H2-Erzeugung, Speicherung, Transport, Anwendung auf und gibt jeweils repräsentative Industriebeispiele für den heutigen Anwendungsstand. Insbesondere werden hier Fertigungstechnologien für Brennstoffzellen vorgestellt, sowie Herausforderungen beim Reparaturschweißen von Wasserstoffpipelines. Zeitgleich wird in einem eigenen Kapitel die Bedeutung der additiven Fertigung ebenso erläutert, wie die aktuellen und umfassenden Tätigkeiten auf dem Gebiet der Normung zu H2-Technologien.
BAM Update #4/2023
(2023)
Verschleißfeste Kohlenstoffschichten mit niedriger Reibung sind hervorragend für Anwendungen in der Erdgas- und Wasserstofftechnologie geeignet. Einige Varianten versagen jedoch in inerter Umgebung, was für die praktische Anwendung sehr nachteilig ist. Im Vortrag werden Beispiele aus Modellversuchen für verschiedene Varianten, auch für Flüssigmethan-Umgebung gezeigt.
Im Projekt HySpark wird die Wirksamkeit mechanischer Schlagvorgänge beim Aufprall von unterschiedlichen Werkstoffen als Zündquelle für wasserstoffhaltige Atmosphären experimentell untersucht. Zum Einen wird die Zündwirksamkeit bei Wasserstoff/Luft-Gemischen in Abhängigkeit der Werkstoffpaarung untersucht. Dabei konnte v.a. festgestellt werden, dass bei Schlagvorgängen von Nicht-Eisen-Metallen mit verschiedenen Stahlsorten die wirksame Zündung vermieden werden kann. Jedoch können bei Schlagvorgängen mit Estrichbeton hohe Zündwahrscheinlichkeiten beobachtet werden. Zum anderen wird der Einfluss von Wasserstoffbeimischungen im Erdgasnetz auf die Zündwirksamkeit von mechanischen Schlägen untersucht. Bei Anteilen bis 25% Wasserstoff konnte bei den Versuchen kein Erhöhung der Zündwahrscheinlichkeit festgestellt werden.
Intelligent sensor systems, certified reference materials and instrumental analytical-chemical methods contribute to safety and functionality in hydrogen technologies.
This article gives a brief overview of SensRef activities in the Competence Centre H2Safety@BAM on the issues: Analytical methods for the determination of hydrogen purity, certified reference materials as measurement standards with regard to gas quality (primary calibrators) of BAM, test methods for gas sensor systems to detect hydrogen in air as well as the application of fibre-optic sensor systems to monitor the expansion and ageing behaviour of composite containers in hydrogen technologies.
Wasserstoff kann in Überlagerung mit Beanspruchungen zu einem unerwarteten Werkstoffversagen in höherfesten Stählen führen (wasserstoffunterstützte Schädigung von Metallen, starke Abnahme des Verformungsvermögens). Hierbei besteht in der Schweißtechnik die Gefahr einer wasserstoffunterstützten Kaltrissbildung. Der Fokus des Vortrags liegt auf das Wasserstoffbindungsverhalten (Trapping) im Grundwerkstoff und im schweißsimulierten Gefüge. Die Ergebnisse zeigen Unterschiede hinsichtlich der Bindungsenergie und des Fallencharakters. Anhand dieser lassen sich Rückschlüsse ziehen über eine effektive Wärmebehandlung zur Wasserstoffreduktion im Gefüge. Das Ziel ist eine Reduzierung des Risikos einer wasserstoffunterstützten Rissbildung.
Heute werden in Stahlkonstruktionen zunehmend hochfeste Baustähle (Streckgrenze ≥ 960 MPa) eingesetzt. Daher sind auch in Schweißnähten solche hohen Festigkeiten gefordert. Jedoch können hohe Eigenspannungen aufgrund geringerer plastischer Dehnungsreserven in diesen Schweißnähten die Sicherheit der Bauteile vermindern. Diese sind insbesondere im Zusammenhang mit Wasserstoff und Härtegefügen risskritisch. Niedrige Bauteilbeanspruchungen und Kosteneinsparungen lassen sich heutzutage mit modernen fokussierten Lichtbogenvarianten und engeren Nahtspalten erreichen. Die vorliegende Studie zeigt allerdings, dass diese modernen Schweißprozesse und die angepasste Nahtgeometrie höhere Wasserstoffkonzentrationen und signifikant gesteigerte oberflächennahe Zugeigenspannungsniveaus bedingen. Anhand mehrlagiger Schweißversuche an S960QL unter Variation von Wärmeführung, Lichtbogenvariante und Nahtöffnungswinkel wurden die Effekte und Wechselwirkungen unter Zuhilfenahme von Eigenspannungsanalytik mittels Röntgendiffraktometrie und Wasserstoffanalytik mittels Trägergasheißextraktion systematisch untersucht. Das Schweißgefüge führte unter kritischer mechanischer Beanspruchung und erhöhtem Gehalt an diffusiblem Wasserstoff insbesondere bei geringem Nahtöffnungswinkel und fokussiertem Lichtbogen zu einer deutlichen Ausbildung von Mikrorissen. Die Mikrorisse führten teils zu einer makroskopischen Ausprägung. Durch Analysen zur Nachwärmung aus der Schweißwärme heraus konnten suffiziente Wärmeführungsparameter für eine effektive Prävention solcher Risse erarbeitet werden. Die vorliegende Arbeit zeigt anhand des Interaktionssystems bei der wasserstoffunterstützten Kaltrissbildung Gefüge-Beanspruchung-Wasserstoff, welche Wärmeführungs- und Schweißparameter sich für die hochfesten Feinkornbaustähle zur Kaltrissvermeidung eignen.
Die Wasserstoffinfrastruktur ist eine zentraler Bestandteil der erfolgreichen Umsetzung der wasserstoffbasierten Energiewende. Dabei bilden Ferngasleitungen quasi das "Rückgrat" der Transportinfrastruktur großer Gasmengen. Dabei müssen unter Umständen Reparaturen an den Pipelines durchgeführt werden. Dabei ist in der Erdgasinfrastruktur das Schweißen an in Betrieb befindlichen (d.h. von Gas durchflossenen) Pipelines Stand der Technik. Es ist jedoch vollkommen offen, inwieweit diese Technik auf die reine Wasserstoffpipelines übertragbar sind. Hierzu leistet das Projekt H2SuD wichtige Beiträge zur Aufklärung des Einfluss eines Reparaturschweißprozesses auf die Wasserstoffaufnahme und Degradation im Betrieb befindlicher H2 Gasleitungen.
Die Wasserstofftechnologien der näheren Zukunft erfordern sichere Komponenten. Die Füge- und Schweißtechnik ist hier von zentraler Bedeutung, insbesondere für die Transportinfrastruktur (wie Pipelines). Der vorliegende Vortrag gibt hierzu einen umfassenden Überblick, beginnend bei der Erzeugung, Speicherung über Transport und Nutzung. Zusätzlich wird die zunehmende Bedeutung der additiven Fertigung beleuchtet und ein kurzer Ausblick auf die aktuelle Normungsroadmap der Wasserstofftechnologien gegeben.
Im vorliegenden Forschungsbericht werden die Ergebnisse zum LFP Projekt „Ableitung validierter Probenahme- und Analysenmethoden für Zwischen- und Endprodukte der anaeroben Stoffverwertungsprozesse von LCKW im Grundwasser im Rahmen von Altlastenuntersuchungen“ (Länderfinanzierungsprogramm, Projekt B2/08, Laufzeit vom 01.09.2008 – 31.08.2009) zusammengefasst. Es werden verschiedene Verfahren der Probenahme und Analytik zur Bestimmung von Wasserstoff, Methan, Ethen und Vinylchlorid (VC) im Grundwasser untersucht und validiert. Für die Probenahme werden folgende Ansätze beschrieben und diskutiert: i. aktive Probenahme: Pumpprobe und Probenahme von in Grundwasser gelösten Gasen in Gasbeprobungsrohren (Gasmaus) ii. passive Probenahme: Diffusionsprobenahme in Polyethylenbeuteln (PDB) und Kunststoffspritzen als Diffusionssammler für gelöste Gase Der Einsatz aktiver (Pumpprobenahme, Schöpfprobenahme) und passiver (Diffusionsprobenahme) Probenahmetechniken zur Gehaltsbestimmung von LHKW sowie Ethen und Methan in Grundwasser wird aus ordnungsbehördlicher Sicht hinsichtlich der Vergleichbarkeit von Analysendaten untersucht. Am Beispiel einer Kontamination mit Trichlorethen sowie 1,2-Dichlorethen und Vinylchlorid kann deutlich gemacht werden, dass die Einsatzmöglichkeit der passiven Probenahme durch unzureichende Strömungsverhältnisse im Aquifer sowie biologische Aktivität im Pegelrohr begrenzt ist. Der aktiven Probenahme ist bei ungeklärten oder unzureichenden Strömungsverhältnissen im Grundwasserleiter daher der Vorzug zu geben. Die chromatographischen Verfahren zur Bestimmung der Analyte werden umfänglich validiert und mit anderen geeigneten Analysenverfahren verglichen: I. Headspace-GC-FID zur Bestimmung von Methan, Ethen und VC aus der wässrigen Probenmatrix der Pumpprobe (i.) und des PDB (ii.) II. Direktinjektion-GC-PDD zur Bestimmung von Wasserstoff aus den gesammelten Gasproben der Gasmaus (i.) und der Kunststoffspritzen (ii.) Für die Bestimmung von Ethen und VC in Grundwasserproben (I.) werden Bestimmungsgrenzen von 0,1 μg/L erreicht. Methan kann aus wässrigen Proben nur ab 5 μg/L quantifiziert werden. Mit den Verfahren zur Bestimmung von Methan aus der Gasmaus (i.-II.) werden 0,1 μg/L im Grundwasser erreicht. Die Bestimmung von im Grundwasser gelösten Wasserstoff (II.) ist bis zu einer Konzentration von 1 nM möglich. Die Reproduzierbarkeit für die Bestimmung von Wasserstoff in Grundwasser liegt konzentrationsabhängig zwischen 10 bis 20% bei der aktiven Probenahme (i.-II.) und 10 bis 70% bei der passiven Probenahme (ii.-II.). Aus der Validierung der Analysenmethode und den Ergebnissen verschiedener Probenahmen werden Toleranzbereiche für die Ergebnisse eines Grundwassermonitorings abgeschätzt. Diese Streubreiten von Monitoring-Ergebnissen sollten von Ingenieurbüros und zuständige Ordnungsbehörden bei der Bewertung der komplexen Abbauprozesse eines LHKW-Grundwasserschadens beachtet werden.
Die sichere Lagerung und der Transport von Flüssigwasserstoff (LH2) verlangen nach verlässlichen Abschätzungen möglicher Risiken durch Feuer oder Explosion. Aufgrund des breiten Explosionsbereichs (4 Vol.-% - 74 Vol.-%) reagiert Wasserstoff sehr schnell und produziert hohe Flammentemperaturen. Da Wasserstoffflammen ruß- bzw. farblos sind, ist Wärmestrahlung im Fernfeld kein Risikofaktor. Allerdings stellen die hohe lokale Wärmestrahlung und die nicht sichtbaren Flammen eine Gefahr für Menschen und Infrastruktur in der Nähe dar. Es ist daher notwendig die Gefahren von LH2-Feuern sorgfältig zu bewerten.
Einerseits sind experimentelle Untersuchungen verschiedener Szenarien teuer, andererseits können sie teilweise auch praktisch nicht durchführbar sein. Numerische Simulationen dieser Szenarien können ein Ausweg aus diesem Problem sein. In der vorliegenden Arbeit wird ein solcher Ansatz genutzt, um große Brandszenarien mit LH2 mittels CFD (Computational Fluid Dynamics) zu modellieren und so die notwendigen Sicherheitsabstände abzuschätzen. Der Fokus liegt dabei auf der Simulation von Jet- und Pool-Feuerszenarien mit einem kommerziellen CFD-Code (Ansys CFX). Die benötigten geometrischen Modelle werden für Jet- und Pool-Feuer erstellt und mit den nötigen Randbedingungen implementiert. Wichtige Submodelle für chemische Reaktionen (Einschritt- und detaillierte Modelle), Verbrennung (Eddy-Dissipation- und Flamelet-Modell) und Strahlung (Discrete-Transfer-Modell) werden genutzt. Die maximal simulierten Flammentemperaturen liegen bei ~2100 K für Jet-Feuer und ~2300 K für Pool-Feuer. Um Aussagen zu thermischen Sicherheitsabständen zu treffen, wurden die Spezifischen Ausstrahlungen (SEP) ermittelt und anschließend entsprechende Positionsfaktoren gewählt, um verlässliche Sicherheitsabstände zu berechnen. Je nach Bedarf können CFD-Modelle sowohl für qualitative als auch für quantitative Risikobewertungen von LH2-Großbränden genutzt werden.
Sicherheitstechnische Untersuchungen von Wasserstoff Freistrahlflammen bei Hochdruck im Realmaßstab
(2024)
Wasserstoff als Energieträger gewinnt zunehmend an Bedeutung. Die Untersuchung von Störfallauswirkungen mit Wasserstoff rückt somit stärker in den Fokus. Da Wasserstoff meist unter Druck gelagert und transportiert wird, ist ein zu betrachtendes Szenario die Freisetzung aus einer Leckage mit anschließender Zündung. Die daraus resultierende Freistrahlflamme (Jet Flame) muss hinsichtlich der in die Umgebung emittierten Wärmestrahlung charakterisiert werden. In der Literatur existieren bereits verschiedene Modelle, welche jedoch vermehrt auf Daten aus Kohlenwasserstoffflammen mit geringem Impuls basieren. Zur Überprüfung dieser Modelle wird im Zuge des BAM internen H2 Jet Flame Projektes die sicherheitstechnische Untersuchung von impulsbehafteten Wasserstoff Freistrahlflammen vorgenommen. Hierfür finden Versuche im Realmaßstab auf dem Testgelände Technische Sicherheit der BAM (BAM-TTS) statt. Gegenstand der Untersuchungen ist die Beurteilung der Auswirkungen von realistischen Freisetzungsszenarien hinsichtlich der Flammengeometrie und der freigesetzten Wärmestrahlung. Dabei werden Parameter wie Freisetzungswinkel, Leckagedurchmesser (z.Zt. 1 mm bis 30 mm), Druck (z.Zt. bis max. 250 bar) und Massenstrom (bis max. 0,5 kg/s) variiert. Zusätzlich können auch Einflüsse wie Art der Zündung, Zündort sowie Zündung mit zeitlichem Verzug untersucht werden. Gewonnene Erkenntnisse werden mit den Ergebnissen bereits vorhandener Modelle verglichen und diese im Bedarfsfall weiterentwickelt. Insbesondere wird der Fokus auf die Modellierung der freigesetzten Wärmestrahlung von Wasserstoffflammen gelegt. Herausforderung dabei stellt die IR-Vermessung und Modellierung von Sichtmodellen der Flammen dar. Die Visualisierung der Flammengeometrie wird mit Hilfe mehrerer Infrarot Kamerasystemen (aus mindestens zwei Blickwinkeln) vorgenommen.
Bisherige Messungen, die in der Literatur zu finden sind, basieren meist auf instationären Auströmbedingungen. Der hier verwendete Versuchsaufbau ermöglicht ein stationäres Ausströmen für mehrere Minuten und somit eine direkte Vergleichbarkeit mit den existierenden (stationären) Modellen.
Weiterhin ist der Versuchsstand umrüstbar für Vergleichsmessungen mit Kohlenwasserstoffen (Methan etc.) sowie Mischungen aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen.
BAM Update #3/2022
(2022)
Risiko der Wasserstoffentwicklung an martensitischen Schraubankern unter baupraktischen Bedingungen
(2020)
Die vorliegende Untersuchung beschäftigt sich mit der Fragestellung ob unter praxisrelevanten Bedingungen die Entstehung von Wasserstoff an vollmartensitischen Schraubankern möglich ist. Im Gegensatz zu austenitischen Werkstoffen besteht bei martensitischen Werkstoffen bei Gegenwart von Wasserstoff stets die Möglichkeit einer wasser-stoffinduzierten Versprödung des Materials. Hierfür wurde ein in der Praxis häufig anzutreffendes Szenario gewählt, das ein galvanisches Element, bestehend aus nichtrostenden Schraubankern (in diesem Fall martensitischen) und einer verzinkten Ankerplatte an einem Betonkörper, umfasst. Zum Nachweis einer Wasserstoffentwicklung wird der Elementstrom zwischen den Bauteilen sowie das Korrosionspotential erfasst. Die Ergebnisse der Versuche zeigen, dass über eine zeitlich begrenzte Dauer eine starke kathodische Polarisation der martensitischen Schraubanker durch die korrosive Auflösung des Zinks erfolgt. Als Folge kommt es zur Wasserzersetzung im Phasengrenzbereich der Schraubanker und zur Entstehung von atomarem Wasserstoff. Das berechnete Gasvolumen des entstandenen Wasserstoffs an den Stahlankern wurde bestimmt und lag im Mittel bei 11,14 ± 1,94 ml. Eine Diffusion des an der Stahloberfläche adsorbierten Wasserstoffs in den martensitischen Werkstoff ist somit theoretisch möglich und impliziert eine mögliche Gefährdung durch wasserstoffinduzierte Rissbildung und spontanem Versagen unter Belastung.
BAM Update #1/2023
(2023)
Der Vortrag gibt einen kurzen Überblick über die Bedeutung der Fügetechnik in Wasserstofftechnologien und über zukünftige Herausforderungen. Fügetechnologien, insbesondere die Schweißtechnik, haben dabei wesentliche Bedeutung für die Umsetzung von technischen Komponenten der Wasserstofftechnologien. Forschungsschwerpunkte ergeben sich insbesondere für die Erzeugung und den Transport des Wasserstoffs.
Die Studie gibt einen kurzen Überblick über die jetzige Bedeutung der Fügetechnik in Wasserstofftechnologien und über zukünftige Forschungsbedarfe für die Branche in den einzelnen Technologiefeldern Wasserstofferzeugung, -speicherung, -transport und -nutzung. Fügetechnologien haben dabei wesentliche Bedeutung für die erfolgreiche Umsetzung von technischen Komponenten der Wasserstofftechnologien. Die Schwerpunkte bzw. Forschungsbedarfe ergeben sich bspw. durch die Erstellung neuer Infrastruktur für Wasserstoffspeicherung und -transport sowie durch Umnutzung der bestehenden Erdgasinfrastruktur. Bei der Wasserstofferzeugung und -anwendung wird z.B. die Entwicklung effiziente Massenproduktionsmethoden von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen einen wichtigen Meilenstein bilden und laserbasierte Fügetechnologien sind hier zum Teil schon etabliert. Die additive Fertigung nimmt dabei eine Querschnittsposition ein und besitzt hohes Anwendungspotential für die Zukunft z.B. für die Fertigung von Komponenten in Gasturbinen. Aus den technischen Fragestellungen und Forschungsbedarfen ergeben sich zudem Herausforderungen für die notwendige Neu- und Weiterentwicklung von technischen Regelwerken und Normen und den Eingang in die Aus- und Weiterbildung von fügetechnischem Fachpersonal.
Ein Aspekt des Gefahrguttransportes, der an Bedeutung in den letzten Jahren zugenommen hat, ist die Versorgung von Wasserstofftankstellen und anderen H2-Großverbrauchern über die Schiene aber insbesondere über die Straße.
Mit Blick auf die primäre Form der Speicherung wird der Begriff der Sicherheit über den Aspekt der Häufigkeit eines definierten Ereignisses erläutert und auf die Besonderheiten der Druckgefäße aus Verbundwerkstoffen hingewiesen, wie auch den regulatorischen Hintergrund der Lebensdauerüberprüfung nach 15 Jahren nach den Vorgaben der zuständigen Behörde. In Deutschland sind diese Vorgaben in der BAM-Gefahrgutregel 021 geregelt, die in der GGR 022 durch eine Regelung zur Wiederkehrenden Prüfung dieser Umschließungen ergänzt wird.
Beide BAM-Gefahrgutregeln basieren auf einem probabilistischen Ansatz und einer Konsequenzabschätzung über das Druck-Volumen-Produkt der Druckgefäße. Die neu im Recht verankerte EN 17339 ist die erste Norm, die speziell fest montierte Compositespeicher für den Wasserstofftransport regelt. Sie ermöglicht eine erhebliche Gewichtreduktion und führt eine Obergrenze für das Druckvolumen ein.
Es wird kurz erläutert, dass gerade mit Blick auf Wasserstofftransporte über eine Arbeitsgruppe der Vereinten Nationen eine Begrenzung des Konsequenzpotentials in das internationale Recht eingeführt werden soll und welche Kriterien bei der systematischen Ermittlung des akzeptierten Wertes von 1.5 Mio bar Liter Einfluss haben.
Mit Blick auf die Energiewende sieht es die BAM als besonders wichtig an, die Transportkosten zu senken, indem der Prüfaufwand reduziert und gleichzeitig die Erkenntnistiefe aus der betrieblichen Überwachung verbessert wird. Hierzu muss die Datenbasis für die probabilistische Bewertung der Lebensdauer von zerstörenden Prüfungen auf zerstörungsfreie Prüfungen umgestellt werden und idealerweise die 100% Prüfung zumindest in der ersten Hälfte des sicheren Lebens auf Stichproben reduziert werden.
Dies und andere Aufgaben, die wichtig für eine sichere und attraktive Wasserstoffwirtschaft sind werden von dem Kompetenzzentrum H2Safety@BAM bearbeitet, dass in seinen Grundzügen kurz vorgestellt wird.
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.
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.
Die Wasserstoffinfrastruktur ist eine zentraler Bestandteil der erfolgreichen Umsetzung der wasserstoffbasierten Energiewende. Dabei bilden Ferngasleitungen quasi das "Rückgrat" der Transportinfrastruktur großer Gasmengen. Dabei müssen unter Umständen Reparaturen an den Pipelines durchgeführt werden. Dabei ist in der Erdgasinfrastruktur das Schweißen an in Betrieb befindlichen (d.h. von Gas durchflossenen) Pipelines Stand der Technik. Es ist jedoch vollkommen offen, inwieweit diese Technik auf die reine Wasserstoffpipelines übertragbar sind. Hierzu leistet das Projekt H2SuD wichtige Beiträge zur Aufklärung des Einfluss eines Reparaturschweißprozesses auf die Wasserstoffaufnahme und Degradation im Betrieb befindlicher H2 Gasleitungen.
Im Zuge der wasserstoffbasierten Energiewirtschaft von morgen, kommt der Errichtung der dementsprechenden Infrastruktur die zentrale Rolle zu. Der überwiegende Teil bisher eingesetzter und meist geschweißter Werkstoffe, wie Stähle, kann unter bestimmten Bedingungen zur Wasserstoffversprödung neigen. Dies umfasst die klassische verzögerte Kaltrissbildung während der Schweißverarbeitung als auch Versprödungsphänomene während des Betriebs. Für die Bewertung eines jeden Wasserstoffeffektes auf bspw. die mechanischen Eigenschaften eines geschweißten metallischen Werkstoffes, muss der Wasserstoffgehalt präzise bestimmt werden, Im Fall von Schweißnähten ist die beispielsweise nach der ISO 3690, die klassische isotherme Trägergas-Heißextraktion (TGHE). Die TGHE basiert dabei auf der beschleunigten Wasserstoffentgasung aufgrund der thermischen Aktivierung des Wasserstoffs bei erhöhten Temperaturen. Neben der reinen Quantifizierung des Wasserstoffs, kann über die thermische Desorptionsanalyse (TDA) mit variierten Heizraten, der Bindungszustand an mikrostrukturellen Defekten im Material festgestellt und bewertet werden. Für beide Techniken sind experimentelle und messtechnische Einflüsse zu beachten, die großen Effekt auf das Ergebnis haben. Für die TGHE schlägt die ISO 3690 schlägt beispielswiese verschiedene Probengeometrien sowie Mindestextraktionszeiten vor. Die vorliegende Studie fasst Ergebnisse und Erfahrungen zahlreicher Untersuchungen an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) mit unterschiedlichen Probentemperaturen und Geometrien (ISO 3690 Typ B und zylindrische TDA-Proben) zusammen hinsichtlich: Einfluss der Probenoberfläche (poliert/geschweißt), Messgenauigkeiten in Abhängigkeit des Probenvolumens sowie die unzureichende Überwachung des Effektes des PI-Reglers auf die Extraktionstemperatur. Insbesondere eine abweichende Extraktionstemperatur zur eingestellten Temperatur, kann die Messergebnisse wesentlich verfälschen. Basierend auf den Ergebnissen werden Methoden aufgezeigt, um schnell die gewünschte Extraktionstemperatur zu erreichen, ohne physisch in das Messequipment eingreifen zu müssen. Dies dient der wesentlichen Verbesserung der Zuverlässigkeit der Wasserstoffmessung durch erhöhte Signalstabilität und beschleunigte Wasserstoffdesorption. Im Allgemeinen ist eine unabhängige Temperaturmessung mit Dummy-Proben für die gewählte Heizprozedur angeraten, um mögliche unerwünschte Temperatureinflüsse bereits vor der Messung auszuschließen. Die beschriebenen Methoden können ohne großen Aufwand direkt in die industrielle Anwendung überführt werden.
Experimentelle Untersuchungen zu streifenden Schlägen mit verschiedenen Edelstahlsorten in explosionsfähigen Atmosphären, jeweils bestehend aus Wasserstoff, Acetylen, Ethylen bzw. Propan mit Luft, haben gezeigt, dass deren Zündwahrscheinlichkeit sowohl von der Art des Brenngas-Gemisches als auch der Höhe der kinetischen Schlagenergie abhängt. Ein Einfluss des Chromgehaltes im Edelstahl auf die Zündwahrscheinlichkeit durch mechanisch erzeugte Schlagvorgänge konnte in dem untersuchten Bereich des Chromgehaltes nicht nachgewiesen werden, obwohl ein steigender Chromgehalt die Oxidationsfähigkeit abgetrennter Partikel erhöhter Temperatur tatsächlich senkt. Ferner haben weitere Werkstoffeigenschaften wie die Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität, Dichte und Härte einen Einfluss auf die Zündwahrscheinlichkeit mechanischer Edelstahl-Schlagvorgänge bei Wasserstoff/Luft-Gemischen. Mit steigender Wärmeleitfähigkeit des Edelstahls sinkt die Zündwahrscheinlichkeit. Für die spezifische Wärmekapazität, Dichte und Härte konnte kein Einfluss nachgewiesen werden. Für Schlagvorgänge wurden in der Norm EN 13463-1:2009 Grenzwerte für die maximale kinetische Schlagenergie festgelegt, unterhalb derer die Entstehung einer wirksamen Zündquelle als unwahrscheinlich angenommen werden kann. Dabei wurde zwischen Schlagvorgängen mit funkenarmen Metallen, wie z. B. Kupfer, Messing, und Schlagvorgängen mit sogenannten „sonstigen Werkstoffen“ unterschieden. Die Grenzwerte dieser sonstigen Werkstoffe resultieren aus Versuchen der BAM mit unlegiertem Baustahl. Bei solchen Schlagvorgängen wird von Oxidationsprozessen einzelner Partikel mit dem Luftsauerstoff ausgegangen, die das Gasgemisch aufgrund des hohen Temperaturanstiegs entzünden. In industriellen Anwendungen wie zum Beispiel der chemischen Industrie wird jedoch statt ferritischem Stahl überwiegend Edelstahl verwendet. Im Allgemeinen gilt mit Chrom hochlegierter Edelstahl bei Schlagvorgängen gegenüber ferritischem Stahl als funkenärmer, da die Oxidationsfähigkeit von Edelstahlpartikeln mit steigendem Chromgehalt abnimmt. Aufgrund der abnehmenden Oxidationsfähigkeit postulierte Voigtsberger, dass abgetrennte Edelstahlpartikel mit einem Anteil von 18,11 % Chrom nicht mehr oxidieren können. Bei den eigenen Schlagversuchen der BAM konnte zwar eine sinkende Oxidationsfähigkeit der Partikel, aber keine abnehmende Zündwirksamkeit von Edelstählen mit steigendem Chromgehalt beobachtet werden.
Der Vortrag gibt einen kurzen Überblick über die Bedeutung der Fügetechnik in Wasserstofftechnologien und über zukünftige FuE-Bereiche. Fügetechnologien haben dabei wesentliche Bedeutung für die Umsetzung von technischen Komponenten der Wasserstofftechnologien. Forschungsschwerpunkte ergeben sich insbesondere für die Erzeugung und den Transport des Wasserstoffs.
Geräte für den bestimmungsgemäßen Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen müssen die Anforderungen der europäischen Richtlinie 94/9/EG (Explosionsschutzrichtlinie) erfüllen. Die Erfüllung dieser Anforderungen wird in der EG-Konformitätserklärung des Herstellers dokumentiert. Grundlage für die Bewertung der Konformität ist die Zündgefahrenbewertung, die im Wesentlichen die Identifizierung und Bewertung möglicher Zündquellen beinhaltet. In den der Richtlinie 94/9/EG nach geordneten einschlägigen Normen, z. B. EN 1127-1 und EN 13463-1 ff., sowie in der BGR 104 (Regeln für das Vermeiden der Gefahren durch explosionsfähige Atmosphäre mit Beispielsammlung (Explosionsschutz-Regeln - EX-RL) sind die 13 möglichen Zündquellenarten aufgelistet. Die mechanisch erzeugten Funken stellen hierbei eine von diesen möglichen Zündquellenarten dar.
Aussagen über die Zündwirksamkeit und insbesondere Zündwahrscheinlichkeit von mechanisch erzeugten Schlagfunken in Abhängigkeit von der jeweiligen Brenngas/Luft- Atmosphäre bei bekannter kinetischer Schlagenergie lassen sich nach dem bisherigen Kenntnisstand nur sehr vage formulieren. Eine umfangreiche Literaturrecherche auf diesem Gebiet bestätigte diesen Mangel, der sowohl bei der Zündgefahrenbewertung als auch bei der Erstellung und Novellierung des für den Explosionsschutz einschlägigen Regelwerkes problematisch ist.
Im Maschinenbau und in der Verfahrenstechnik werden zum Bau u. a. von nichtelektrischen Geräten und Schutzsystemen zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosions-gefährdeten Bereichen häufig Baustähle verwendet. Daher war es das Ziel der Forschungsarbeit, statistisch gesicherte Werte für die Zündwahrscheinlichkeit von Stahl-Schlagfunken in Abhängigkeit von der kinetischen Schlagenergie und der Mindestzündenergie der verwendeten Brenngas/Luft-Gemische zu ermitteln. Die Untersuchungen zur Entstehung mechanisch erzeugter zündfähiger Schlagfunken erfolgten mit Hilfe von Schlagfunkenmaschinen bei drei kinetischen Schlagenergiewerten.
Folgende Ergebnisse wurden für die Referenzbrenngase der IEC-Explosionsgruppen bei unterschiedlichen Gemischzusammensetzungen mit Luft erzielt:
1. Unterhalb der kinetischen Schlagenergie von 3 Nm konnten mit der im Rahmen dieser Untersuchung angewendeten Schlagkinematik und Schlaggeometrie keine zündfähigen mechanisch erzeugten Stahl-Schlagfunken erzeugt werden.
2. Bereits mit einer kinetischen Schlagenergie von 10 Nm konnten einzelne mechanisch erzeugte Stahl-Schlagfunken durch Oxidationsvorgänge des abgetrennten Teilchens zur gefährlichen Zündquelle werden. Die Versuche haben weiterhin gezeigt, dass dies für Brenngasgemische der IEC-Explosionsgruppe IIC (z. B. Acetylen und Wasserstoff) mit Luft mit einer Zündwahrscheinlichkeit im einstelligen Prozentbereich zutrifft. Literaturangaben zufolge können Explosionen aber auch für Brenngasgemische der Explosionsgruppe IIB (z. B. Ethylen) mit Luft nicht sicher ausgeschlossen werden.
3. Mit der vergleichsweise hohen kinetischen Schlagenergie von 190 Nm wurden alle Brenngas/Luft-Gemische unabhängig von einer stattfindenden Oxidation des Teilchens durch einen einzigen Schlagvorgang zur Explosion gebracht. Dabei lag die Zündwahrscheinlichkeit bei 100 % für Brenngasgemische der IEC-Explosionsgruppe IIC mit Luft. Für Brenngasgemische der IEC-Explosionsgruppen IIA (z. B. Propan und Benzindampf) und I (z. B. Methan) mit Luft fiel die Zündwahrscheinlichkeit bis in den einstelligen Prozentbereich ab.
Die experimentellen Untersuchungen haben weiter gezeigt, dass die Zündfähigkeit mechanisch erzeugter Funken grundsätzlich von einer Vielzahl von Einflussgrößen abhängig ist. Eine Interpolation der Ergebnisse zwischen den kinetischen Schlagenergien von 10 Nm und 190 Nm ist daher nicht möglich.
Für zukünftige Untersuchungen ist deshalb eine Fortführung der Arbeiten u. a. mit weiteren kinetischen Schlagenergien vorgesehen. Diese Ergebnisse können ferner zur Validierung von numerischen Simulationen herangezogen werden.