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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.
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.
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.
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.
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.
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.
Dr. Mair erläutert, welcher Anwuchs an H2-Bedarf zu erwarten ist, wo er weltweit erzeugt werden könnte und in welcher Form auf grünem Wasserstoff basierende Energieträger transportiert werden können. Es wird deutlich, dass das Transportaufkommen von H2 erheblich anwachsen wird und dass sich alle Seiten, die Regelsetzer und die Industrie darauf vorbereiten müssen.
Danach wird mit Blick auf die Normungsroadmap H2 des DIN der probabilistische Ansatz mit seinem Potenzial, Normen und Vorschriften in ihrer Wirkung zu simulieren und zu bewerten kurz vorgestellt.
Der dritte Block des Vortrages beginnt mit der Definition von Sicherheit, zeigt kurz das mikromechanische Prinzip der Alterung von Composite und greift dann ein Thema auf, dass Dr. Mair bereits 2018 und 2019 in dieser Runde dargelegt hat: Der Aufwand für die klassische Wiederkehrende Prüfung ist enorm und bringt nur wenig Erkenntnis. Es werden graphisch das 5-Jahres 100%-Prooftesting, der Ansatz nach GGR 022 mit seiner zerstörend geprüften Stichprobe und der mögliche Ansatz für eine ergebnisgesteuerte Stichprobenprüfung auf ZfP-Basis miteinander verglichen. Die Unterschiede im Aufwand-zu-Nutzen-Verhältnis sind enorm. Dabei ist der aufwändigste Ansatz zudem der mit der geringsten Erkenntnistiefe.
Jeder Ansatz, der von einer 100%-Prüfung in einem maximalen Zeitrahmen von 10 Jahren abweicht, also z.B. der Verzicht auf eine 100%-Prüfung während des Betriebes, würde eine Änderung des Regelwerkes erfordern, die zeitnah angestoßen werden müsste. Da es sich hierbei primär um eine Ressourcenoptimierung und nicht um eine Verbesserung der Sicherheit handelt, liegt der Ball bei den Verbänden. Als eine Idee für das Herangehen mit einer Begrenzung auf Druckgefäße, die nach der EN 17339 zulassungsfähig sind (fest montiert, H2 und nur CFK), verweist Dr. Mair auf die SV 674 in Verbindung mit 6.2.3.5.3/.4 ADR/RID. Bei dem absehbaren Anwachsen des Bestandes an H2-Batteriefahrzeugen, ist hier nicht nur ein Optimierungsaspekt, sondern auch ein Kapazitätsproblem in der wiederkehrenden Prüfung zu lösen. Es würde aber auch ein Mehrwert für die Sicherheit entstehen.
In the DECHEMA Virtual Talks, general aspects of the safety and acceptance of hydrogen technologies were presented. How can trust in new technologies be built when past accidents led to myths and fairy tales? The presentation does away with general prejudices and shows that handling hydrogen is neither more unsafe nor safer than handling other fuel gases. The basis for the safe handling of hydrogen is always a risk analysis.
Im Vortrag werden aktuelle Entwicklungen bei verschiedenen Elektrolysetechnologien kurz vorgestellt. Dann werden für Elektrolyseanlagen spezifische Gefährdungen diskutiert, v.a. die im Zusammenhang mit den Eigenschaften der Gase Wasserstoff und Sauerstoff stehen. Dabei wird auch Bezug auf die Normung- und Regelsetzung genommen und Sicherheitskonzepte werden beispielhaft kurz vorgestellt. Abschließend wird auf Unfallereignisse im Zusammenhang mit der Elektrolyse eingegangen.
Im Vortrag wird auf die sicherheitstechnische Beurteilung in Hinblick auf den Explosionsschutz bei der Herstellung und Füllung von Gasgemischen mit brennbaren und mit oxidierenden Komponenten eingegangen. Anhand von Beispielen werden u.a. Vorgehensweisen und Berechnungsmethoden beschrieben, anhand derer beurteilt werden kann, ob Gasgemische überhaupt sicher hergestellt werden können und in welcher Reihenfolge die Komponenten zur sicheren Herstellung der Gemische gefüllt werden sollten.
Das Einsatzspektrum von den besonders leichten Druckbehältern aus Faserverbund-werkstoffen erweitert sich kontinuierlich. Dies führt dazu, dass mit der erweiterten Verwendung auch die thermisch zulässigen Einsatzgrenzen dieser Behälter ausgeschöpft und sogar teilweise überschritten werden. So können bspw. Atemluftflaschen im Brandeinsatz der Feuerwehr an der Behälteroberfläche derart hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt werden, dass die zulässige Höchsttemperatur von 65 °C um bis zu 185 °C überschritten wird.
Diese Arbeit untersucht und bewertet die Auswirkungen dieser erhöhten thermischen Betriebslasten auf die Typ-III-Atemluftflasche. Dieser Behältertyp besteht aus einem Innenbehälter aus Aluminium, der von einem Faserverbundwerkstoff umschlossen ist.
Durch Analyse der thermischen Betriebslasten in ausgewählten Anwendungsbereichen und durch experimentelle Temperaturversuche an Probebehältern konnte gezeigt werden, dass bei der Brandbekämpfung die untersuchten Atemluftflaschen lokal über das in der Zulassung abgeprüfte Temperaturspektrum erhitzt werden. Der Glasübergangsbereich des Faserverbundwerkstoffs wird partiell um bis zu 95 °C überschritten. Um die reale Sicherheit der Atemluftflasche bewerten zu können, wurde ein analytisches Hybridbehältermodell entwickelt, das die Beanspruchungen mit validierten Materialtemperaturverläufen berechnet. Mit der Einbindung von Schädigungsansätzen konnte ein bisher nicht hinreichend beachtetes thermisches Degradationsverhalten in den Berechnungen berücksichtigt werden. Die sicherheitstechnische Bewertung basierte auf der Gegenüberstellung der Beanspruchungen aus den realen Betriebsbelastungen und abzuprüfenden Zulassungskriterien. Zudem wurden insgesamt 90 altersbedingt ausgesonderte Feuerwehr-Atemluftflaschen zerstörend geprüft, um nähere Erkenntnisse über den Sicherheitszustand am Ende der Lebenszeit zu erhalten. Die Versuche wurden ebenfalls zur Validierung der Schädigungsansätze genutzt.
Als Ergebnis der Arbeit wird am Beispiel des untersuchten Baumusters gezeigt, dass die Sicherheit dieser Atemluftflasche am Lebensende noch hinreichend ist. Jedoch konnte an einigen Exemplaren dieses großzügig dimensionierten Baumusters eine erhöhte Abnahme der Festigkeit festgestellt werden. Sollten Atemluftflaschen auf die vorgeschriebenen Normanforderungen optimiert werden, d.h. weniger überdimensioniert sein, wäre dem thermisch bedingten Sicherheitsverlust eine erheblich detailliertere Aufmerksamkeit zu widmen.
In this talk, general aspects of the safety and acceptance of hydrogen technologies were presented. How can trust in new technologies be built when past accidents led to myths and fairy tales? The presentation does away with general prejudices and shows that handling hydrogen is neither more unsafe nor safer than handling other fuel gases. The basis for the safe handling of hydrogen is always a risk analysis.
Exotherme Reaktionen verursachten in der Vergangenheit im industriellen Maßstab immer wieder Unfälle. Deshalb ist die Kenntnis des Gefahrenpotentials einer chemischen Reaktion sowohl im Normalbetrieb als auch bei Abweichungen davon eine Voraussetzung für eine sichere Prozessführung. Mit der Veröffentlichung der Technischen Regel für Anlagensicherheit (TRAS) 410 "Erkennen und Beherrschen exothermer Reaktionen" im Jahr 2001 existiert für chemische Stoffumwandlungen im Industriemaßstab eine auf dem Stand der Sicherheitstechnik basierende Anleitung zur systematischen Identifizierung von Gefahren, zu deren Bewertung und zur Erstellung von Maßnahmen, um Störfälle zu verhindern. Betrachtet wird dabei vorrangig die thermische Prozess-Sicherheit. Ein erhöhtes Gefahrenpotential besitzen exotherme Reaktionen an denen wie im vorliegenden Fall organische Peroxide beteiligt sind. Diese Verbindungsgruppe ist für ihre thermische Instabilität bekannt. In dieser Arbeit wird die unter basischen Bedingungen, zweistufig ablaufende Umsetzung von tert.-Butylhydroperoxid (TBHP) mit Pivaloylchlorid zum tert.-Butylperoxypivalat (TBPP) untersucht. TBHP, das auftretende Zwischenprodukt und TBPP gehören zur Stoffgruppe der organischen Peroxide. Bei der Bewertung der thermischen Prozess-Sicherheit der TBPP-Synthese wurde entsprechend der TRAS 410 vorgegangen. Die thermische Stabilität der beteiligten Stoffe wurde mit thermoanalytischen Screening-Methoden untersucht und die Reaktion durch kalorimetrische Untersuchungen charakterisiert. Die formale Anwendung der 100 K-Regel zur Festlegung der Grenztemperatur Texo, bei der alle an der Reaktion beteiligten Stoffe unter Verfahrensbedingungen sicher handhabbar sind, beträgt -36 °C. Bei dieser Temperatur ist der Prozess nicht durchführbar, da einzelne Reaktionskomponenten auskristallisieren und die Reaktion nicht wie gewünscht stattfinden kann. Anhand zusätzlicher Untersuchungsergebnisse zur Zersetzungskinetik des Produktes wird erläutert, dass im vorliegenden Fall von der o. g. Regel abgewichen werden kann. Als minimale Prozesstemperatur wurden 0 °C und als maximale Prozesstemperatur 20 °C festgelegt. Der Normalbetrieb wird im Rahmen der festgelegten Verfahrensparameter als sicher bewertet. Die Reaktion läuft dosierkontrolliert ab, eine Akkumulation tritt nicht auf. Aufgrund der geringen Differenz zwischen maximaler Prozesstemperatur und Onset-Temperatur der Zersetzung, besteht bei geringen Abweichungen vom Normalbetrieb die Gefahr, die unkontrollierte Zersetzung des Produktes einzuleiten. Temperaturanstieg und Gasproduktion führen zum Überschreiten der Auslegungsparameter der Anlage. Um die Reaktion durchführen zu können, müssen unbedingt vorbeugende als auch auswirkungsbegrenzende Maßnahmen getroffen werden. Abschließend wird mit Hilfe dimensionsloser Kenngrößen die Maßstabsübertragung mit dem Ziel vorgenommen, Grenzen für Reaktionsvolumina und Dosierzeiten festzulegen.