SAFETY IN HYDROGEN SUPPLY Sicherheit in der Wasserstoff-Versorgung

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1 SAFETY IN HYDROGEN SUPPLY Sicherheit in der Wasserstoff-Versorgung Einführung Wasserstoff ist ein universeller und weitgehend unabhängig von der Primärenergie einsetzbarer Energieträger (s. Abb. 1), mit einer künftig stark erweiterten Nutzung. Im Vergleich mit konventionellen Energieträgern, wie Benzin oder Heizöl, werden an den Transport und die Lagerung von Wasserstoff andere sicherheitstechnische Anforderungen gestellt, da Wasserstoff vor allem unter Druck gehandhabt wird. Druckgespeicherter Wasserstoff (CGH2) im Gefahrguttransport Die Energieversorgung mithilfe des Energieträgers Wasserstoff benötigt eine hinreichende Wasserstoff-Infrastruktur. In Ermangelung eines für Wasserstoff umfänglich tauglichen Netzsystems, ist der Transport auf der Straße auf absehbare Zeit unverzichtbar. Eine Alternative ist der Transport im energetisch wesentlich aufwendigeren, tiefkalt-verflüssigten Zustand. Seit etwa 30 Jahren erfolgt der Wasserstofftransport unter hohem Druck in Batteriefahrzeugen. Dies sind Zugmaschinen mit einem Sattelauflieger, auf dem zahlreiche Druckbehälter in einem Stahlrahmen zu einer Batterie gebündelt und fest montiert sind. Das Gesamtgewicht eines solchen Sattelzuges ist auf 40 t limitiert. Für den Transport von Gasen mit sehr geringer Dichte ist es von ökologischer und besonderer ökonomischer Bedeutung, das Leergewicht der Druckbehälter möglichst niedrig zu halten. Aus diesem Grund werden in modernen Batteriefahrzeugen meist die sehr viel leichteren Druckbehälter aus Faserverbundwerkstoffen (Composite) eingesetzt. Seite 1/6

2 Robustheit unter Unfallbelastung Die Wahrscheinlichkeit von Verkehrsunfällen kann nie auf null reduziert werden. Entsprechend wird erwartet, dass eine gewisse Robustheit gegen typische Unfallszenarien gewährleistet ist. Damit kann die Ursache für ein Versagen eines Druckbehälters auch eine außergewöhnliche Belastung (wie z. B. Crash oder Brand) sein. Der Fall des Umkippens eines 40-t-Sattelzuges mit Wasserstoff (s. Abb. 2) trat bis zur flächendeckenden Einführung von Fahrerassistenzsystemen, vor 5 Jahren, etwa einmal pro Jahr auf. In etwa 50 % der Fälle kam es zu Undichtigkeiten. Als der bisher spektakulärste Unfall muss das Auffahren eines Gemüselasters auf einen Wasserstofftransport vor 15 Jahren angesehen werden. Damals starb der Fahrer des auffahrenden Lkws. Obwohl auf der A 1 bei Köln-Lövenich Wasserstoff durch drei abgescherte Ventile austrat und über viele Stunden brannte, kam es zu keinem weiteren Verletzten. Dieser und andere Unfälle zeigen eine sehr gute Unfallsicherheit der Elemente (Flaschen oder Großflaschen) im Wasserstofftransport. Diese Eigenschaft resultiert aus der Auslegung auf einen relativ hohen Innendruck (20 bis 50 MPa). Betriebsfestigkeit und Gewicht Die Effizienz im Transport kann in kg Wasserstoff pro t Gesamtgewicht des Sattelaufliegers bewertet werden (s. Abb. 3). Anfangs fanden Transporte von Wasserstoff in Deutschland verflüssigt in Tankfahrzeugen oder komprimiert in Einzelflaschen bzw. sogenannten Flaschenbündel statt. Diese mussten für Befüllung und Entleerung immer auf- und abgeladen werden. Der seit 1985 im Verkehr befindliche Tube-Trailer fasst ca. 300 kg komprimierten Wasserstoff (ca Nm 3 ) bei 200 bar in neun liegenden nahtlosen Großflaschen aus Stahlrohren. Damit kommt er auf etwa 11 bis 12 kg CGH 2 pro t Gesamtgewicht. Die nachfolgende Entwicklung aus dem Jahr 1993 fasst bereits etwa 650 kg Wasserstoff (ca Nm³) in seinen Seite 2/6

3 rund 200 Composite-Druckbehältern. Diese basieren auf einem Stahlbehälter, der im zylindrischen Teil mit Aramid oder Carbonfasern umfangsbewickelt ist, und erlauben eine Transporteffizienz von rund 20 kg CGH 2 pro t Gesamtgewicht. Der letzte große Schritt ist ein Konzept aus dem Jahr In diesem Batteriefahrzeug fassen die etwa 100 Composite- Druckbehälter bereits mehr als 1000 kg Wasserstoff bei 500 bar, was eine Effizienz von etwa 34 kg CGH 2 pro t Gesamtgewicht ergibt. Weitere große Schritte in der Entwicklung sind nicht mehr zu erwarten, da große Schritte in der Werkstoffentwicklung derzeit nicht erkennbar sind. Auch wird mit dem zuletzt genannten Design die nach den Zulassungsvorschriften statthafte Materialbeanspruchung nahezu erreicht. Das minimal realisierbare Gewicht eines Druckbehälters hängt aber von den Zulassungsanforderungen ab, auf die diese Behälter inzwischen gezielt optimiert werden. Damit ist eine nennenswerte Verminderung des Gewichts nur mehr über Änderungen der rechtlich verpflichteten Mindestanforderungen möglich. Anderenfalls verhindern die Zulassungsvorschriften mit den in Bezug genommenen Normen weitere Effizienzsteigerungen. Aus Gründen der Transporteffizienz wird weiter nach Wegen gesucht, das für den Transport erforderliche Leergewicht ohne einen Verlust an Sicherheit zu reduzieren und so die Wasserstofftransporte wirtschaftlicher gestalten zu können. Im Zentrum einer Prüfvorschrift im Gefahrgutrecht stehen die Auslegung und Sicherheit bei normaler Betriebsbelastung. Sicherheit wird heute durch pauschal geforderte Mindestfestigkeiten erzeugt. Um Änderungen z. B. bzgl. des Mindestberstdrucks in den Rechtsvorschriften bewerten zu können, hat die Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung (BAM) einen neuartigen Ansatz zur Sicherheitsbewertung von Druckbehältern aus Verbundwerkstoffen entwickelt, den probabilistischen Ansatz. Seite 3/6

4 Sicherheit auf Basis statistischer Auswertungen Die Sicherheit von Composite-Druckbehältern, und damit auch die der Wasserstofftransporter, hängt von der Zuverlässigkeit gegen Versagen bis zum Ende der Einsatzdauer ab. Damit ist nicht nur die Sicherheit im Neuzustand, sondern insbesondere die Abnahme der Festigkeit im Betrieb von Bedeutung. Ein betriebsrelevanter Abbau von Festigkeiten in Druckgefäßen aus Carbonfasern konnten bisher kaum beziffert werden. Mit der klassischen Lastwechselprüfung konnte man nicht bis zum Versagen prüfen. Die Berstprüfung zeigt häufig keine betriebsrelevant interpretierbaren Ergebnisse. Deshalb hat die BAM im Rahmen des probabilistischen Ansatzes (PA) nach einer Alternative zur Lastwechselprüfung für diese Baumuster gesucht. Diese Alternative ist eine Kombination aus Berstprüfung und Zeitstandsprüfung: der Slow Burst Test (s. Abb. 4). Er erlaubt es, die Restfestigkeit von Composite-Behältern zu ermitteln und auch die Abnahme der Betriebsfestigkeit über die Lebensdauer zu verfolgen. Diese Prüfmethode hat bereits Eingang in nationale Vorschriften gefunden und wird nun international diskutiert. Die Ergebnisse aus einer Vielzahl langsamer Berstprüfungen zeigen, dass die Stichproben aus Prüfmustern nach mehrjährigem nennenswertem Gebrauch tendenziell einen kleineren Mittelwert des Berstdrucks und eine größere Streuung der Berstfestigkeit aufweisen. Im Fall von Bauweisen mit metallischen Linern, können vergleichbare Tendenzen auch anhand der Lastwechselfestigkeit beobachtet werden. Seite 4/6

5 Probabilistik - Wege der weiteren Optimierung bei steigender Sicherheit Auf der Basis dieser Ergebnisse aus Lastwechselprüfung und langsamer Berstprüfung können Composite-Druckbehälter nach probabilistischen Gesichtspunkten analysiert werden. Nur so kann die Sicherheit von Wasserstoffbehältern gegebenenfalls auch jenseits aktueller Zulassungsvorschriften bewertet werden. Probabilistische Kriterien sind an die Vorgabe entsprechender Grenzzuverlässigkeiten geknüpft. Üblicherweise wird aber nicht die Zuverlässigkeit, sondern ihr Gegenstück - die akzeptierte Ausfallwahrscheinlichkeit - beschrieben. Hierzu gibt es bereits einen ersten Bewertungsansatz, der vom Bundesministerium für Verkehr und Infrastruktur und seinem zuständigen Gremium nach eingehender Beratung mit der BAM vor einem Jahr bestätigt wurde. Er beschreibt die Grenzwerte zwischen akzeptierter und nicht mehr akzeptierter Ausfallwahrscheinlichkeit in Abhängigkeit von der Konsequenz eines Totalversagens (s. Abb. 5). Seite 5/6

6 Da die Auswirkung eines Versagens von sehr vielen Faktoren abhängt, wird die Konsequenz indirekt über das Druck-Volumen-Produkt der einzelnen Umschließungen ausgedrückt. Hierbei deckt die Grenze bis 3000 MPaLiter alle Konsequenzen ab, die mit durchschnittlich bis zu einem Toten pro Zwischenfall (einer von einer Million Behältern) beschrieben werden. Das ist der größte Teil der Druckbehälter, die einzeln transportiert werden. Das Druck-Volumen-Produkt der Elemente moderner Batteriefahrzeuge ist höher, was die Akzeptanz eines Unfalls weiter reduziert. Das heißt: Nimmt das Druck-Volumenprodukt zu, nimmt auch der als akzeptiert angesehene Wert der Ausfallwahrscheinlichkeit ab. Resümee Die Herausforderungen des Transportes von Wasserstoff im Rahmen der Infrastruktur für Wasserstoff als Energieträger werden von der BAM aktiv angegangen. So entstanden aus der Verbindung von Forschung und Ressortberatung eine neue Prüfmethode (langsame Berstprüfung) und darauf aufbauend eine neuartige Bewertungsmethode (probabilistischen Ansatz). Beide werden helfen, einen sicheren und effizienten Transport von Wasserstoff als Energieträger zu gewährleisten. Bildnachweis: Abb 1: mit freundlicher Genehmigung der EMPA; Abb: 2 mit freundlicher Genehmigung W. Eß, Fotograf Abb 3, 5: mit freundlicher Genehmigung der Linde AG Kontakt: Dr. Georg Mair, Tel.: +49 (0) , georg.mair@bam.de Seite 6/6