WASSERSTOFF Unser Beitrag zum Thema - BAM
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Unser Beitrag zum Thema
WASSERSTOFF
1
INHALT
WASSERSTOFF4
Energieträger der Zukunft
WASSERSTOFFERZEUGUNG 6
Trennung der Wassermoleküle durch Elektrolyse
BAM-STANDARDS SCHAFFEN DIE GRUNDLAGEN FÜR MARKTREIFE POWER-TO-GAS-TECHNOLOGIEN 8
EXPLOSIONSSCHUTZ9
Die BAM macht die Nutzung von Gasgemischen sicher
TRIBOLOGIE10
Welche Schmierstoffe brauchen wir bei der Nutzung von Wasserstoff?
ENERGIESPEICHERUNG
ÜBER DIE BAM DRUCKGASSPEICHER11
Behördliche Aufgabe und Forschungsschwerpunkt in der BAM
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung erforscht und auf sicheren Umgang oder Betrieb geprüft DRUCKGASSPEICHER12
(BAM) gewährleistet Sicherheit in Technik und Chemie. und bewertet. Die BAM entwickelt und validiert Ana- Ressortberatung und Rechtsfortentwicklung
lyseverfahren und Bewertungsmethoden, Modelle und
GLASSPEICHER13
Die BAM forscht, prüft und berät zum Schutz von erforderliche Standards und erbringt wissenschafts Mikroröhrchen mit schnellen Lade- und Zugriffszeiten
Mensch, Umwelt und Sachgütern. Ihre Aktivitäten basierte Dienstleistungen für die deutsche Wirtschaft
bündelt die BAM in den fünf Themenfeldern Energie, im europäischen und internationalen Rahmen. GASDETEKTION/-SENSORIK
Infrastruktur, Umwelt, Material und Analytical Sciences. GASDETEKTION/-SENSORIK14
In den Spitzen- und Schlüsseltechnologien Material- Sicherheit macht Märkte. Gaswarngeräte für den Einsatz im Explosionsschutz
wissenschaft, Werkstofftechnik und Chemie leistet die
NEUE SENSOREN FÜR WASSERSTOFF 15
BAM einen entscheidenden Beitrag zur technischen Die BAM setzt und vertritt für Deutschland und seine
Sicherheit von Produkten, Prozessen und der Lebens- globalen Märkte hohe Standards für Sicherheit in Tech- MINI-UAV16
Mit Drohnen Gase sicher untersuchen
und Arbeitswelt der Menschen. Dazu werden Substan- nik und Chemie zur Weiterentwicklung der erfolgreichen
zen, Werkstoffe, Bauteile, Komponenten und Anlagen deutschen Qualitätskultur „Made in Germany“. Die BAM
RISIKOANALYSE/KONSEQUENZ-BETRACHTUNG17
sowie natürliche und technische Systeme von volkswirt- ist eine Bundesoberbehörde im Geschäftsbereich des
schaftlicher Dimension und gesellschaftlicher Relevanz Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie. AUSGEWÄHLTE H2-PROJEKTE
PROJEKT COFI-ABV 18
Risiken bei einem Behälterversagen
PROJEKT DELFIN 19
Impressum
Wie man Wasserstoffspeicher leichter und sicherer macht
Herausgeber: PROJEKT TAHYA 20
Mit Carbonfasern zu besonders effizienten und sicheren Wasserstofftanks
Bundesanstalt für Materialforschung
und -prüfung (BAM) PROJEKT HY-CNG 21
Unter den Eichen 87, 12205 Berlin Sicherheitstechnische Eigenschaften von Erdgas-Wasserstoff-Gemischen
Postanschrift: 12200 Berlin PROJEKT PHAEDRUS 21
Telefon: +49 30 8104-0 Forschen für den sicheren Umgang mit Wasserstoff
Telefax: +49 30 8112029 PROJEKT HAWABRA 22
E-Mail: presse@bam.de Wasserstoffsensoren zur früheren Branddetektion
Internet: www.bam.de PROJEKT COD AGE 23
Redaktion: Wie man die Lebensdauer von Composite-Druckbehältern vorhersagt
BAM 3.0 PROJEKT WASSERSTOFFSPEICHER 24
Stand 07/2019 Neuartige Speicher-Materialien für Wasserstoff-Tankstellen
PROJEKT CRYOCODE 25
Wasserstoffspeicher, tiefkalt unter Druck
Die BAM ist eine wissenschaftlich-technische
Bundesoberbehörde im Geschäftsbereich des PROJEKT FIBREMOD 26
Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie. Simulierte Schädigung zur genaueren Lebensdauervorhersage
PRÜFEINRICHTUNGEN27
ANSPRECHPARTNER30
2 3
WASSERSTOFF
Energieträger der Zukunft
Angesichts der weltweit zunehmenden Energieversor- Dieser kann dann gespeichert und später wieder rück- Komplettiert werden die Aktivitäten der BAM durch ferngesteuerter Messdrohnen (sog. UAV-Drohnen).
gung durch erneuerbare Energieträger ist die Energie- verstromt oder direkt zum Betanken von Wasser- die sicherheitstechnische Beurteilung von wasserstoff- Zudem untersucht die BAM proaktiv Schadensrisiken
speicherung von zentraler Bedeutung, um Produkti- stoff-Fahrzeugen verwendet werden. Der große Vorteil haltigen Gasgemischen, die Verträglichkeitsbewertung und Unfallszenarien für die Sicherheitsbetrachtung,
ons- und Bedarfszeiten besser aufeinander abstimmen von Wasserstoff in Gasspeichern liegt in der gegenüber von Werkstoffen bis hin zur Detektion von Wasserstoff- um mögliche Schwachstellen aufzeigen und potenzielle
zu können. Wasserstoff bekommt hier eine gewichtige Batterien deutlich höheren Energiedichte, was in Fahr- konzentrationen über geeignete Sensorik, auch mittels Gefährdungen erkennen zu können.
Rolle für die Energiewende und nicht zuletzt auch für zeugen zu deutlich größeren Reichweiten führt.
den Umbruch des Individualverkehrs in Deutschland und
weltweit. Wissenschaftler der BAM sorgen durch ihre Expertise in Themenfeld Energie
Forschung und Zulassung dafür, dass die Sicherheit im
Das Thema Wasserstoff wird im „Themenfeld Ener- Im „Themenfeld Energie“ forschen wir an der gesam-
Als Energieträger kann Wasserstoff mit Hilfe von Brenn- Fahrzeug, während des Transportes und beim Umgang
gie“ behandelt. Es bildet mit den Themenfeldern In ten Nutzungskette der Energieträger Wind, Sonne,
stoffzellen in Elektrizität umgewandelt werden, um mit Wasserstoff gewährleistet werden kann.
frastruktur, Umwelt, Material und Analytical Sciences Gas, Kohle und Öl von der Erzeugung über die Spei-
direkt in das vorhandene Stromnetz eingespeist zu wer-
jene fünf abteilungsübergreifenden Schwerpunkte, cherung und den Verbrauch bis hin zur Entsorgung.
den oder um Elektromotoren anzutreiben. Als „Abgas“ Die BAM ist nahezu über die gesamte Wertschöp-
die im Fokus der BAM liegen. Im Mittelpunkt unserer Aktivitäten stehen Energie-
entsteht lediglich Wasserdampf. fungskette hinweg wissenschaftlich tätig. Von der
Als thematische Plattformen strukturieren die fünf speicherung, -umwandlung, -transport sowie die
sicheren und effizienten Wasserstofferzeugung
Themenfelder unsere Arbeit. Gleichzeitig dienen sie Kerntechnische Entsorgung.
Wasserstoff bietet sich schon jetzt als Energiespeicher (POWER-to-GAS), über die (Zwischen-)Speicherung
dazu, den Beitrag der BAM zu politisch, gesellschaft-
an, um Überschussenergien aus Solar- und Windkraft zu von Wasserstoff in Druckgasspeichern bis hin zum
lich und wissenschaftlich wichtigen Themen sichtbar Kontakt: TF-Energie@bam.de
speichern: Durch Elektrolyse wird aus Wasser Wasser- Transport bspw. mittels Trailerfahrzeug zum Endver-
zu machen.
stoff gewonnen (POWER-to-GAS). braucher.
4 WASSERSTOFF WASSERSTOFF 5
WASSERSTOFFERZEUGUNG POWER-TO-GAS (P2G)
Trennung der Wassermoleküle durch Elektrolyse Wie Energie aus regenerativen Quellen
Eine Möglichkeit, in großem Maßstab Wasserstoff zu Die BAM befasst sich bei der Entwicklung neuer Tech- zwischengespeichert werden kann
erzeugen, liegt in der Elektrolyse. Bei der Elektrolyse nologien zur Wasserelektrolyse vorrangig mit dem
von Wasser werden durch elektrische Energie Wasser- sicheren Betrieb der Elektrolyseure. Die Entwicklung zu Ein besonderes Problem beim Einsatz der erneuerbaren
moleküle (H2O) zu molekularem Wasserstoff (H2) und energetisch günstigen Hochdrucksystemen erfordert Energien ist die Speicherung der Energie im großen
Sauerstoff (O2) gespalten (POWER-to-GAS). Dabei wird die genaue Kenntnis der Druck- und Temperaturabhän- Maßstab. Viele der bekannten Speicher, wie z. B. Batte-
ein großer Teil der benötigten elektrischen Energie in gigkeit von Explosionsgrenzen des Wasserstoff-Sauer- rien, können nur vergleichsweise wenig Energie spei-
chemische Energie umgewandelt. Der erzeugte Wasser- stoff-Systems sowie Kenntnisse über Permeations- und chern. Andere Anlagen, wie etwa Pumpspeicherwerke,
stoff lässt sich speichern oder bis zu einem gewissen Leckraten. Die Betriebsparameter der Elektrolyseure stehen nur begrenzt zur Verfügung. Eine technisch
Umfang in das bestehende Erdgasnetz einspeisen. Mit müssen sich stets im sicheren Bereich befinden, um z. B. realisierbare Lösung mit nahezu unbegrenzter Speicher-
dieser Methode lässt sich Energie leicht (zwischen-) gefährliche Verunreinigungen des Wasserstoffs durch kapazität ist das Power-to-Gas-Verfahren (P2G) mit an-
speichern und transportieren. Sauerstoff zu vermeiden. schließender Einspeisung von Wasserstoff ins Erdgas-
Über Brennstoffzellen ist dann eine Rückumwandlung netz. Bei P2G wird elektrische Energie aus Wind- oder
der chemischen Energie in elektrische Energie jederzeit Solarstrom zur Elektrolyse von Wasser genutzt und
möglich. dadurch Wasserstoff gewonnen. Damit lässt sich Ener-
gie aus regenerativen Quellen immer dann speichern,
wenn mehr produziert als aktuell benötigt wird. Der so Ein BAM-Mitarbeiter arbeitet an einer
Modell eines gewonnene Wasserstoff kann bei Bedarf rückverstromt
von der BAM Rohrleitung für einen Gas-Explosionsversuch.
werden. Foto: BAM Z.8
hinsichtlich des
Explosionsschutzes
untersuchten Hoch-
druckelektrolyseurs
aus dem Forschungs-
zentrum Jülich
(Foto: FZ Jülich). Schwankende Stromerzeugung
aus erneuerbaren Energien
H2
Elektrolyse Methanisierung
H2 CH4
Erdgasnetz Gasspeicher
Industrielle Nutzung Mobilität Stromerzeugung Wärmeversorgung
6 WASSERSTOFFERZEUGUNG | WASSERSTOFF WASSERSTOFF | WASSERSTOFFERZEUGUNG 7
BAM-STANDARDS SCHAFFEN DIE GRUNDLAGEN EXPLOSIONSSCHUTZ
FÜR MARKTREIFE POWER-TO-GAS-TECHNOLOGIEN Die BAM macht die Nutzung von Gasgemischen sicher
Um Wasserstoff über größere Distanzen zu transpor- nationalen Ringversuchs für die Zusammensetzung von Der sichere Umgang mit Wasserstoff benötigt geeigne- Deren genaue Kenntnis ist jedoch für den Explosions-
tieren, kann er in das Erdgasnetz eingespeist werden. Erdgasen. Dazu wurden je zwei Erdgasmischungen kon- te Maßnahmen für den Explosionsschutz. Dazu müssen schutz unerlässlich.
Dabei entstehen wasserstoffhaltige Erdgasgemische zipiert, hergestellt und in ca. 20 Gaszylinder abgefüllt, sicherheitstechnische Kenngrößen, wie z. B. Explosions- Ein Forschungsvorhaben zur systematischen Bestim-
mit Wasserstoffanteilen bis in den unteren zweistelli- die derzeit weltweit untersucht werden. Eine der beiden grenzen, Zündtemperaturen oder Explosionsdrücke mung solcher Kenngrößen hat die BAM von der Berufs-
gen Prozentbereich. Mischungen enthält rund 4 Mol-% Wasserstoff. bekannt sein. Deshalb untersucht die BAM sicherheits- genossenschaft Energie-Textil-Elektro-Medienerzeug-
technische Eigenschaften von wasserstoffhaltigen nisse als Auftrag bekommen. Details dazu finden Sie
Die BAM ist zuständig dafür, die sogenannte „nationale Industrielle Anwender und Zertifizierungsstellen entwi- Gasgemischen unter prozessnahen Bedingungen auch auf Seite 21.
Normale“ der Gaszusammensetzung festzulegen. Da ckeln eigene sogenannte Sekundärnormale, die sich an bei hohen Drücken und Temperaturen experimentell und
runter versteht man einen festen Vergleichswert, der für dem von der BAM vorgegebenen Standard orientieren. entwickelt Prüfmethoden weiter. Für die Abschätzung
Messungen verwendet wird. Insbesondere ist die BAM von sicherheitstechnischen Kenngrößen setzt die BAM
verantwortlich für Kalibriergase, Brennwert- und Gasbe- In der Regel liefern die Kunden nach Vereinbarung ihre auch Berechnungsmethoden ein und entwickelt sie
schaffenheitsmessgeräte sowie für Automobilabgase. Gasstandards. Die BAM zertifiziert diese Gase anhand weiter. Die BAM unterstützt Anwender mit sicherheits-
der jeweilig geforderten Vorschriften mit Hilfe eines technischen Beurteilungen der Gasgemische und bringt
Handelsübliche Erdgasgemische können bis zu 17 Mehrpunktkalibrierungsverfahrens unter Anwendung ihre Erfahrungen u. a. bei der Erarbeitung von Normen
Komponenten enthalten, die erfasst werden. Mit Erd- geeigneter analytischer Methoden (in der Regel Gas- und technischen Regelwerken ein.
gasgemischen, die diese Komponenten in bekannten chromatographie). Wenn die Zertifizierung die tolerierte
Stoffmengenanteilen enthalten, werden Prozess-Gas- Zusammensetzung in der geforderten Messunsicherheit Bis zu zehn Prozent Wasserstoff dürfen dem Erdgas im
chromatographen für jede der zu messenden Kom- bestätigt hat, wird ein Zertifikat ausgestellt. Erdgasnetz beigemischt werden. Diese Zumischung ver-
ponente kalibriert, um beispielsweise den Brennwert ändert die Stoffeigenschaften der Erdgase (Brennwert,
von Gasmischungen online zu messen. Die BAM hält Das Qualitätsmanagementsystem ermöglicht den Dichte, Wobbe-Index, Diffusionskoeffizient) und ihre
sozusagen die „Urmeter“ für diese Spezialgase. Für die Anwendern die Pflege eines eigenen technisch-wissen- sicherheitstechnischen Kenngrößen (Explosionsgren-
wasserstoffhaltigen Erdgasgemische hat die BAM in schaftlichen gasanalytischen Wissens zur Herstellung zen, Explosionsdrücke, Flammengeschwindigkeit etc.).
den letzten Jahren einige Mischungen aufgelegt, die von hochwertigen Sondergasen mit genau bekannter
den Standard für künftige Power-to-Gas-Technologien Messunsicherheit. Die Messfähigkeit der Anwender
setzen. steht dabei den metrologischen Staatsinstituten Rechts: Aureole in einer Rohrapparatur zur
Darüber hinaus ist die BAM zusammen mit dem nieder- vielfach technisch kaum etwas nach. Eine Reihe von Bestimmung der Explosionsgrenzen von Gasen.
ländischen nationalen Metrologie-Institut VLS in Delft Anwendern ist zur Herstellung von Gasnormalen akkre-
gemeinsamer Ausrichter eines groß angelegten inter- ditiert.
Diese Vorgehensweise gibt den Deutschen und Europäi- Unten: Autoklavenbetriebsstand mit Kugelautoklav
schen Anwendern langfristig die nötige Flexibilität für für die Bestimmung von Explosionskenngrößen von
den Markt und sichert die Qualität der vom Endverbrau- Gasen. Beide Fotos: BAM Z.8
cher benötigten Gase und damit den lokalen Wettbe-
werbsvorteil, da manch andere Nationen eher marktab-
schottende Vorgehensweisen pflegen.
Eines von mehreren explosionsgeschützten
Gasflaschenlagern für Primärnormale der
BAM in Berlin-Adlershof.
Die Gasflaschen werden unter kontrollierten
Bedingungen gelagert und nicht aus dem Haus
gegeben.
Foto: BAM 1.4
8 WASSERSTOFFERZEUGUNG | WASSERSTOFF WASSERSTOFF | WASSERSTOFFERZEUGUNG 9
TRIBOLOGIE DRUCKGASSPEICHER
Welche Schmierstoffe brauchen wir bei der Nutzung von Wasserstoff? Behördliche Aufgabe und Forschungsschwerpunkt in der BAM
Wasserstoff stellt besondere Anforderungen an Bau- Anwendung lassen sich in denselben Apparaturen aber Der Wasserstoff wird derzeit überwiegend gasförmig Druckbehältern aus Faserverbundwerkstoffen. Zu den
teile, die der Reibung und reibbedingtem Verschleiß auch Bauteile wie z. B. Kugellager testen. Außerdem und aus Gewichtsgründen meist in Druckbehältern aus Forschungsschwerpunkten gehören die Lebensdauer-
unterliegen. Neben Lagern, Kolbenringen, Dichtungen steht eine Pumpe für Flüssigwasserstoff zur Verfügung, Faserverbundwerkstoffen gespeichert. Zur Erzielung überwachung und Untersuchung von Alterungsprozes-
und Führungen in Motoren können dies auch Ventile, in der z. B. die Verschleißbeständigkeit von Kolben- möglichst hoher Speicherdichten, die für hohe Reich- sen, die (Weiter-)Entwicklung bestehender und alter-
Kompressoren und Pumpen in der Versorgungsinfra- dichtungen unter Realbedingungen untersucht werden weiten von Wasserstofffahrzeugen notwendig sind, nativer Zulassungs- und Prüfmethoden, aber auch die
struktur sein. Um Volumen zu sparen, wird Wasserstoff kann. wird der Wasserstoff in der Regel unter sehr hohen Untersuchung möglicher Unfallszenarien.
für den Langstreckentransport häufig verflüssigt und Drücken gespeichert.
muss dafür auf -253°C gekühlt werden. Für bewegliche In Zusammenarbeit mit Industriepartnern wurde bis- Druckbehälter müssen so ausgelegt werden, dass sie Auch in der Prüfung von Druckbehältern hat die BAM
Bauteile stellt dies eine besondere Herausforderung dar, her untersucht, für welche Beanspruchungen bereits die vielfältigen Belastungen, die in ihrem Betriebsleben eine hohe Expertise. Sei es bei der Durchführung von
da diese tiefe Temperatur weit unter den Erstarrungs- reibungs- und verschleißarme Werkstoffe kommerziell auftreten können, sicher überstehen. Zu diesem Zweck hydraulischen Innendruckprüfungen wie Lastwechsel-,
punkten herkömmlicher Schmieröle und -fette liegt. verfügbar sind und wo noch weiterer Forschungs- und müssen Druckbehälter schon vor Ihrem Inverkehrbrin- Berst- oder Zeitstandprüfungen, aber auch bei Brand-
Aber auch der Einsatz als Gas, z. B. für den Betrieb von Entwicklungsbedarf besteht. Die Ergebnisse zeigen, gen und später im Betrieb aufwendigen Prüfungen versuchen gasgefüllter Druckspeicher oder bei Fall- oder
Brennstoffzellen, erfordert eine besonders hohe Rein- dass einige Materialien in Wasserstoff, sogar in tiefkalt unterzogen werden. Hochgeschwindigkeits-Impactversuchen. Je nach Be-
heit, was die Auswahl an möglichen Schmierstoffen verflüssigter Form, günstigere Eigenschaften aufweisen Zu diesen Prüfungen zählen neben Innendruckbelas- darfsfall können die Prüfungen auch unter Zuhilfenah-
ebenfalls stark einengt. als an Luft. Solche vorteilhaften Werkstoffe sind etwa tungen bei sehr hohen und tiefen Temperaturen auch me zerstörungsfreier Messverfahren wie beispielsweise
Verbundwerkstoffe, die zu großen Teilen aus Hochleis- Brand- oder Fallprüfungen, Säuretests oder auch Durch- optischer Dehnungsmessung, Computertomographie,
Die BAM hat bereits zur Jahrtausendwende ein für tungskunststoffen bestehen. Auch Festschmierstoffe stoßprüfungen. Thermografie, Ultraschall- und Wirbelstromprüfung
Europa einzigartiges Wasserstofflabor eingerichtet, in wie z. B. Grafit oder Molybdändisulfid haben sich als gut Ziel ist es, dass die Behälter selbst bei maximalen Be- oder Schallemissionsmessung begleitet werden.
dem seit 2015 auch Messungen in gasförmigem und geeignet erwiesen. Diese lassen sich sowohl als dünne triebsbelastungen sicher bleiben und es nicht zu Gefah-
flüssigem Erdgas möglich sind. Alle sechs dort betriebe- Beschichtung aufbringen als auch Kompositwerkstoffen rensituationen kommt. Die von BAM-Wissenschaftlern gewonnenen For-
nen Testapparaturen sind Eigenentwicklungen. Aktuell beimischen. schungs- und Prüfungsergebnisse werden in die Exper-
werden in Modellversuchen polymere Verbund- Als Nächstes sollen grundlegende Schädigungsmecha- Die BAM erfüllt auf diesem Gebiet behördliche Aufga- tengremien eingebracht, wo sie unmittelbar der Über-
werkstoffe sowie reibungsmindernde und verschleißbe- nismen aufgeklärt und praxisnahe Langzeitversuche an ben, zu denen neben der Zulassung dieser Druckgefäße arbeitung und Erstellung von Normen und Regelwerken
ständige Beschichtungen untersucht. Für die praktische kompletten Bauteilen durchgeführt werden. für den See- und Luftverkehr auch die Erstellung von dienen.
Rechtsnormen und technischen Regelwerken gehört. Die BAM spielt somit in Deutschland eine zentrale Rolle
Zusätzlich forscht die BAM schon seit Jahren für die in Bezug auf die Sicherheit von Druckbehältern während
Sicherheit von Druckbehältern, insbesondere für die von des Transportes und der Speicherung.
Probeneinbau und -justage
für eine Reibungsmessung
in flüssigem Wasserstoff.
Foto: BAM Z.8 Bild: Toyota
10 WASSERSTOFFERZEUGUNG | WASSERSTOFF WASSERSTOFF | ENERGIESPEICHERUNG 11
DRUCKGASSPEICHER GLASSPEICHER
Ressortberatung und Rechtsfortentwicklung Mikroröhrchen mit schnellen Lade- und Zugriffszeiten
Die Aspekte der sicheren Speicherung von gasförmi- (UN Model Regulations: UN Recommendations for the Damit Wasserstoff nutzbringend handhabbar wird, Viele Fragestellungen wurden umfassend in zwei Pro-
gen Energieträgern wie Propan/Butan, Erdgas/Biogas Transport of Dangerous Goods) für die verkehrsträger- muss man ihn verflüssigen oder stark komprimieren. In motionen bearbeitet. Dennoch gibt es eine Reihe von
oder Wasserstoff berühren den Alltag und die öffent- übergreifend transportierten Druckgefäße (bekannt als kleinen Alltagsanwendungen wie etwa Notebooks und Problemstellungen gerade in Bezug auf die Herstellung
lich-technische Sicherheit häufiger als man es auf den „Gasflaschen“) wie auch die Zulassungsvorschriften für anderen mobilen Geräten ist dies noch nicht möglich. von Multikapillaren, die erst gelöst werden müssen, be-
ersten Blick wahrnimmt. Dies geht von der lokalen Fahrzeuge (UN-Working Party 29) erarbeitet. Kleine Brennstoffzellen sind dabei nicht das Problem, vor solche Systeme zur Anwendung gelangen.
Genehmigung des Betriebes von störfallrelevanten sondern die Speicherung des Wasserstoffs.
Anlagen über die regionale Zulassung entsprechender Hinzu kommen spezifische Vorschriften wie das ADR Hochdruckspeicherung von Wasserstoff in Mikrokapil-
Fahrzeuge bis hin zum weltweiten Gefahrguttransport. (Europäisches Übereinkommen über die internationale laren aus Glas könnte eine Lösung sein, meinte im Jahr
Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße), das auf- 2009 die Firma C.En Ltd. und wandte sich für unabhän-
Entsprechend vielfältig sind die zugehörigen Regeln grund des im weltweiten Maßstab regionalen Charak- gige Untersuchungen an die BAM.
und die Organisationen, unter deren Dach die Arbeit an ters in manchen Punkten Erleichterungen gegenüber
diesen Rechts- und Techniknormen stattfindet. den UN-Modellvorschriften erlaubt. Die Glaskapillaren halten je nach Dimension Drücke über
1 500 Bar aus, so dass Speicherdrücke von 700 bis 1 000
Die BAM schlägt internationale Dies alles wird begleitet und unterstützt durch die Bar realistisch erscheinen. Möglich ist das nur durch die
Normungsarbeit, die teilweise im Auftrag der Bundes- dreimal höhere Zugfestigkeit von Glas gegenüber Stahl
Regelwerke vor regierung stattfindet und dann in nationalen Gremien bei gleichzeitig deutlich geringerer Materialdichte. Der
zusätzlich gespiegelt wird. So bieten DIN, CEN und ISO große Vorteil der Mikroröhrchen liegt nach Einschätzung
Eine zentrale Rolle in Bezug auf die Sicherheit von den Rahmen, in dem die Regeln zur harmonisierten der BAM-Experten in den schnellen Lade- und Zu-
Druckbehältern während des Transportes und der Spei- Anwendung der Rechtsvorgaben technisch ausgestaltet griffszeiten sowie potentiell geringeren Gewichten der
cherung spielen hier die Vereinten Nationen (UN). Unter werden. Speicher.
ihrem Dach werden die weltweiten Modellvorschriften
Im Rahmen eines internationalen Forschungsprojekts
mit den Partnern C.En (Schweiz) und INCOM (USA)
haben die Wissenschaftler der BAM ein System ent-
wickelt, dessen Speicherkapillaren – zu Röhren aus Einsatzfähiger Glaskapillarspeicher, Foto: BAM 2.4
Der Sitz der UN-Gremien für den Gefahrguttransport: Millionen von Einzelkapillaren gebündelt – in unter-
das Völkerbundgebäude in Genf. Foto: BAM 3. schiedlichen Größen konfektioniert werden können,
angepasst an den Einsatzort. Zur Darstellung der Mach-
barkeit wurden erste Prototypen in ein E-Bike und einen
E-Scooter verbaut.
Prototypen mit Glasspeicher, Foto: BAM Z.8
12 ENERGIESPEICHERUNG | WASSERSTOFF WASSERSTOFF | ENERGIESPEICHERUNG 13
GASDETEKTION/-SENSORIK
Gaswarngeräte für den Einsatz im Explosionsschutz
Beim Umgang mit Wasserstoff gibt es Explosionsgefah- Die BAM führt solche Baumusterprüfungen für die Unterschiedliche
ren, die berücksichtigt werden müssen. Aufgrund seiner Messfunktion der Geräte durch. Nach vorgeschriebenen H2-Sensorentypen.
sicherheitstechnischen Eigenschaften (sehr geringe Normen werden mit Hilfe von Referenzgasen unter vor- Foto: BAM Z.8
Mindestzündenergie) ist das Gas der Explosionsgruppe gegebenen Belastungen in der BAM Geräte geprüft und
IIC zugeordnet, d. h. der höchsten Explosionsgruppe bei entsprechende Baumusterprüfbescheinigungen für die
Gasen und Dämpfen. Hersteller erstellt. Durch die Mitarbeit in Normung und
Regelsetzung werden neu entwickelte Prüfverfahren in
Eine Möglichkeit, Explosionsgefahren zu erkennen, das Regelwerk überführt.
ist der Einsatz von Gaswarngeräten, die mit geeigne-
ten Sensoren ausgestattet sind. Im Regelbereich der
ATEX-Richtlinien (2014/34/EU) müssen in der EU Gas-
warngeräte für den Einsatz in explosionsgefährdeten
Bereichen baumustergeprüft werden.
NEUE SENSOREN FÜR WASSERSTOFF
Wasserstoff ist brennbar und kann ab einem Volumen- Gegenwärtige Anwendungen und künftige Entwicklun-
anteil von 4 % in Luft gezündet werden. Die Verwen- gen von Wasserstoffsensoren werden in zunehmendem
dung von Wasserstoff muss somit überwacht und Maße nicht nur vom aktuellen Entwicklungsstand,
kontrolliert werden. Der Einsatz von Wasserstoffsenso- sondern auch von der Verfügbarkeit bedarfsgerechter
ren kann entscheidend dazu beitragen, die Sicherheit zu Prüf-/ Kalibriereinrichtungen und -verfahren bestimmt.
gewährleisten und Gefahren zu minimieren.
Anforderungen an die Durchführung von Prüfungen
Wasserstoff - eine geruchlose Gefahr? sind:
1. Durchführung nach hinreichend festgelegtem
Prüfplan
Risiken in der Wasserstoffanwendung sind u. a. Le- 2. Messungen gehobener Präzision, Vermeidung
ckagen, Feuer und Explosionen. Damit die Anwendung systematischer Verfahrensfehler (Störgrößenein-
von Wasserstoff sicher ist, müssen zuverlässige Sen- fluss, Ankopplungsprobleme, etc.)
soren bzw. Sensormessgeräte zur Früherkennung mit 3. Einhaltung festgelegter Umgebungsbedingungen
Alarmindikation eingesetzt werden. Gegenwärtig gibt 4. Bestimmung der Unsicherheit der Prüfung und des
es elektrochemische, katalytische, Feldeffekt-, Wär- geprüften Sensors
meleitfähigkeits- und Metalloxid-Halbleitersensoren.
Diese müssen zur Erfassung von Wasserstoff in Luft Im Bereich der Wasserstoff-Sensorik widmet sich die
beispielsweise unterhalb der Explosionsgrenze geeignet BAM der Entwicklung der Prüftechnik für Sensoren,
sein, um die Gefahr durch einen Anstieg der Wasser- prüft forschungsbegleitend Sensoren und erstellt
stoffkonzentration rechtzeitig zu detektieren. Kennlinien in Abhängigkeit von der Gaskonzentration,
der Feuchte und der Temperatur. Außerdem ermittelt
Um die Leistungsdaten wie Lebenszeit, technischer sie Querempfindlichkeiten und Langzeitstabilität und
Einsatzbereich, Ansprechverhalten und Richtigkeit von erarbeitet Richtlinien, Standards, Normen und Prüfver-
kommerziell erhältlichen bzw. eingesetzten Sensoren fahren.
Klimaprüfschrank für Gaswarngeräte. Foto: BAM Z.8 sowie Sensoren aus Forschung und Entwicklung zu
ermitteln, ist eine Prüfung von Wasserstoffsensoren in
einem akkreditierten Labor wie der BAM wichtig. Nutzer
und Forscher können mit diesen metrologisch rückge-
führten Prüfungen ihre Sensoren für ihre Anwendung
einsetzen.
14 GASDETEKTION/-SENSORIK | WASSERSTOFF WASSERSTOFF | GASDETEKTION/-SENSORIK 15
MINI-UAV RISIKOANALYSE/
Mit Drohnen Gase sicher untersuchen KONSEQUENZ-BETRACHTUNG
Wenn die Untersuchung von Gasen für den Menschen Darüber hinaus ist die Anpassung und Weiterentwick- „Sicherheit“ ist ein im Alltag sehr vielseitig und ent- Mit der Kombination aus Wahrscheinlichkeit eines Er-
zu gefährlich ist, können unbemannte Luftfahrzeuge lung von Computer-Tomographie-Algorithmen zur drei- sprechend unscharf verwendeter Begriff. Für neue tech- eignisses und seiner Konsequenz lässt sich aus dem
(„Unmanned Aerial Vehicle“, UAV) zum Einsatz kom- dimensionalen Rekonstruktion der Gestalt der Gaswolke nische Anwendungen, die noch nicht auf umfassende Risikogrenzwert und der Konsequenz eines Ereignisses
men. Durch die Integration geeigneter Gassensoren und Teil des Projektes. Dadurch soll Einsatzkräften im Falle Erfahrungen aufbauen können, ist die Gewährleistung eine maximal akzeptierte Eintrittswahrscheinlichkeit
Algorithmen zur Steuerung und Auswertung können eines Unfalls ein leistungsfähiges, robustes Werkzeug von Sicherheit ein essentieller Punkt zur Erhöhung der für dieses Ereignis ableiten. Die Betrachtung dieser Ein-
Infrastrukturen und Szenarien überwacht werden, in als Hilfe zur Abschätzung der Gefahr durch Gaswolken, Akzeptanz einer Anwendung oder eines Produktes. trittswahrscheinlichkeiten als Maßstab für Sicherheit
denen gefährliche Gase wie Wasserstoff Verwendung ihrer Ausbreitung und der notwendigen Absperrbereiche erlaubt es, für die Sicherheitsbewertung von Wasser-
finden. in die Hand gegeben werden. „Sicherheit“ ist im Sinne der technischen Bedeutung stoffspeichern neue Wege zu gehen, die auch neue
ein Ja-/Nein-Zustand, der die Abwesenheit von Gefahr Gestaltungsspielräume in der Auslegung und in den
Im Rahmen des Projektes CoFi-ABV wurde ein robuster Die Entwicklung wurde bisher mit einem Gassensor zur beschreibt. Prüfanforderungen eröffnen.
Open-Path-Gasdetektor zur Fernerkundung von Me- Messung von Methan realisiert. Die Adaption an andere
thangaswolken in eine Flugdrohne integriert. Auf einer Gase wie z. B. Wasserstoff muss in Abhängigkeit zum Genau genommen bedeutet der Zustand der Sicherheit Diese Zusammenhänge macht sich die BAM unter
Sensorbewegungseinheit in Form eines modifizierten jeweiligen Anwendungsszenario geplant werden. Nach bzw. die Abwesenheit von Gefahr ein mit der Anwen- Einbeziehung verschiedener Methoden zur Konse-
Kamera-Gimbals montierten die BAM-Forscher neben Integration von geeigneter H2-Sensorik, die auch auf an- dung von Technik verbundenes Risiko, das geringer ist quenzbeschreibung zunutze, wenn es darum geht, den
dem eigentlichen Gasdetektor auch eine Weitwinkel- deren Sensorprinzipien basieren kann, bietet ein solches als der akzeptierte Risiko-Grenzwert. Den Zustand der Alterungsprozess von Composite-Druckbehältern zu
kamera und ein Laserdistanzmessgerät. Die gemessene System innovative Möglichkeiten zur Überwachung von „100%igen Sicherheit“ bzw. des „Nullrisikos“ gibt es bewerten oder die Fristen für deren wiederkehrende
Gaskonzentration und weitere Messdaten lassen sich Wasserstoffanwendungen. nicht; er käme einem Technikverbot gleich. Prüfung festzulegen.
kontinuierlich übertragen. Der Open-Path-Gasdetektor
kann die örtliche, integrale Konzentration des zu unter- Im Gegensatz zur „Sicherheit“ ist „Risiko“ quanti- Nimmt man noch die Simulation der statistischen
suchenden Gases abschätzen. Dazu ermittelt er die fizierbar und kombiniert die Wahrscheinlichkeit eines Festigkeitseigenschaften von Populationen aus
konzentrationsabhängige Absorption von bestimmten Ereignisses mit der Konsequenz des Ereignisses. Dem Wasserstoffspeichern hinzu, lassen sich mithilfe des
Wellenlängenanteilen des elektromagnetischen Spekt- „Risiko“ einer technischen Anwendung steht die „Chan- „Monte-Carlo-Experimentes“ sogar die Wirkweise und
rums des zu messenden Gases. ce“ gegenüber, die z. B. für die Volkswirtschaft ent- Effizienz einer Mindestanforderung und damit Normen
steht. Entsprechend geht es in der Sicherheitsdefinition und Vorschriften bewerten und optimieren.
immer darum, die Chance eines Produktes gegen das
Gassensitives Mini-UAV mit Nutzlast. Foto: BAM 8.1 zugehörige Risiko abzuwägen.
Flugcontroller (IMU, GPS)
Roboterplattform
Umgestürzter LKW,
3-Achs Gimbal Weitwinkelkamera mit Gasflaschen
Entfernungsmesser beladen, 2012.
Foto: Winfried Eß
Methandetektor
16 GASDETEKTION/-SENSORIK | WASSERSTOFF WASSERSTOFF | RISIKOANALYSE/KONSEQUENZ-BETRACHTUNG 17
PROJEKT COFI-ABV PROJEKT DELFIN
Risiken bei einem Behälterversagen Wie man Wasserstoffspeicher leichter und sicherer macht
Neben Benzin und Diesel kommen in Fahrzeugen auch gezeigt, dass die Unterfeuerung mit einem Benzinpool
andere Treibstoffe wie LPG (Liquefied Petroleum Gas), die geeignetste Methode darstellt. Mit dieser Unter-
CNG (Compressed Natural Gas) oder auch H2 (Wasser- feuerungsmethode wurden im Weiteren verschiedene
stoff) zum Einsatz. Im Projekt CoFi-ABV (Complex Fires Typen von Tanks untersucht. Neben den Temperaturen
- Auswirkungen von Behälterversagen) werden ver- der Behälterwandung, des umgebenden Feuers und des
schiedene Szenarien des Versagens der Tanks für diese Tankinhaltes wurde während der Unterfeuerung auch
gasförmigen Treibstoffe untersucht. der Tankinnendruck aufgezeichnet.
Ein Schwerpunkt sind die Auswirkungen, wenn ein Tank Beim Versagen der Behälter wurden weitere Messgrö-
für gasförmige Treibstoffe einem Feuer ausgesetzt ist ßen erfasst, wie z. B. die Druck- und Temperaturwirkung
und die Sicherheitseinrichtung nicht wie vorgesehen im Nahbereich sowie die Wärmestrahlung. Außerdem
funktioniert. In einem solchen Fall kommt es zu einem wurden sämtliche wiederauffindbaren Fragmente doku-
Druckanstieg im Behälter, welcher im weiteren Verlauf mentiert (Wurfweite, Abmessungen, Gewicht).
zu einem Versagen des Behälters führt. Die Auswir-
kungen im Versagensfall wurden in mehreren Großver- Neben den Untersuchungen der reinen Tanks wurden
suchsreihen untersucht. weitere Versuche mit in PKW verbauten Tanks durch-
geführt. Die Ergebnisse fließen in Handlungshilfen für
Gezielt herbeigeführtes Versagen hilft Einsatzkräfte von Feuerwehr und Rettungsdienst ein,
um deren Sicherheit bei Einsätzen mit alternativen An-
Risiken einzuschätzen trieben zu erhöhen.
Vorbereitung einer Innendruckprüfung an einem
Zunächst wurde in einem ersten Schritt mit Versuchen Projektlaufzeit: 2015 - 2019 Wasserstoff-Druckbehälter. Foto: BAM Z.8
zum Wärmeeintrag in den Behälter der Einfluss der
Unterfeuerungsmethode quantifiziert. Dabei hat sich
Wer heute abgasfrei Auto fahren will, nutzt meist ein Prüfstand entworfen, in dem sie die Belastungen der
mit Batterien betriebenes Elektrofahrzeug. Dessen Speicher mit und ohne Gasfüllung nachstellen wird.
größte Schwachpunkte sind die lange Ladezeit, ihr „Weil innere Schäden wie gebrochene Kohlenstofffasern
hohes Gewicht, begrenzte Lebensdauer und die sehr nicht immer äußerlich sichtbar sind, werden die Tanks
hohen Kosten. Eine Alternative stellen mit Wasserstoff außerdem mit Hilfe der Schallemissionsanalyse, der
betriebene Elektrofahrzeuge dar. In deren Brennstoff- Computertomographie und hydraulischer Restfestig-
zellen wird gasförmiger Wasserstoff in Strom umge- keitsprüfungen untersucht“, erklärt Projektleiter Georg
wandelt, der dann einen Elektromotor antreibt. Die da- Mair. Dafür arbeiten in der BAM Gruppen aus drei Fach-
für erforderlichen Wasserstoffspeicher können genauso bereichen der Abteilungen 3 und 8 zusammen.
schnell befüllt werden wie die Tanks von Benzin- oder Überstehen die neuen Druckbehälter die Impactprüfun-
Dieselfahrzeugen. Momentan sind Wasserstoffspeicher gen, werden sie noch auf ihre Berstfestigkeit getestet.
aber noch recht schwer und damit in der Herstellung Dann zeigt sich, wie die angestrebte Materialeinsparung
teuer. Mit dem Projekt DELFIN ist ein Forschungsvor- die Robustheit der Tanks verändert und idealerweise
haben angetreten, im Zeitraum von 2018 bis 2021 einen sogar verbessert.
besonders leichten, günstig produzierbaren und siche- Neben der BAM sind die BMW AG, die Elkamet Kunst-
ren Wasserstofftank aus Kohlenstofffasern und einem stofftechnik GmbH, die NPROXX B.V., die Ford-Werke
Behälterversagen eines LPG-Radmuldentanks mit PKW nach Versagen des verbauten LPG-Tanks.
Kunststoffliner zu entwickeln. GmbH, das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV), die
massiver Fragmentierung. Foto: BAM 2.4 Foto: BAM 2.4
In dem Vorhaben arbeiten eine Reihe von Autoherstel- ISATEC GmbH, die Mercedes-Benz Fuel Cell GmbH und
lern, Kunststoff-Entwicklern und die BAM als Expertin die Teijin Carbon Europe GmbH beteiligt. Das Gesamt-
für die Sicherheit von Druckgasbehältern zusammen. Im vorhaben hat ein Fördervolumen von rund 6 Mio. Euro,
Fokus der BAM steht die sogenannte Impactbelastung von denen rund 1,45 Mio. Euro auf die BAM entfallen.
der Wasserstoffspeicher. Dazu zählen sowohl von der
Fahrbahn hochgewirbelte Steine als auch die Kontakt- Projektlaufzeit: 2018 - 2021
kräfte bei Unfällen. Die BAM hat einen neuen speziellen
18 RISIKOANALYSE/KONSEQUENZ-BETRACHTUNG | WASSERSTOFF WASSERSTOFF | RISIKOANALYSE/KONSEQUENZ-BETRACHTUNGTUNG 19PROJEKT TAHYA PROJEKT HY-CNG
Mit Carbonfasern zu besonders effizienten und Sicherheitstechnische Eigenschaften von
sicheren Wasserstofftanks Erdgas-Wasserstoff-Gemischen
Ziel des Forschungsvorhabens TAHYA (TAnk HYdrogen In TAHYA sind neben der BAM eine Reihe von europäi- Bis zu 10 Prozent Wasserstoff soll dem Erdgas beige- Das waren Gründe für die Berufsgenossenschaft
Automotive) ist es, einen besonders effizienten und schen Partnern beteiligt: Volkswagen AG, Optimum CPC, mischt werden. Die daraus entstehenden technischen Energie-Textil-Elektro-Medienerzeugnisse, ein For-
sicheren Wasserstofftank aus Carbonfasern und einem Anleg GmbH, Raigi SAS, Technische Universität Chem- Probleme müssen freilich zuvor gelöst werden. schungsvorhaben zur systematischen Bestimmung der
Kunststoffliner für die Automobilindustrie zu entwi- nitz, Absiskey, Polarixpartner GmbH. sicherheitstechnischen Kenngrößen solcher Wasser-
ckeln. Die Materialien sollen einfach zu wickeln, mate- Die Zumischung von Wasserstoff verändert die Stoff- stoff-Methan-Gemische in die Wege zu leiten, mit dabei
rialsparend und damit kostengünstig herzustellen sein; Das Vorhaben hat ein Fördervolumen von 4 Mio. Euro, eigenschaften (Brennwert, Dichte, Wobbe-Index, auch die Expertinnen und Experten der BAM. Auf der
die Tanks sollen dünnwandig, platzsparend und leicht von denen der Beitrag der BAM mit einer Summe von Diffusionskoeffizient) und die sicherheitstechnischen World Hydrogen Energy Conference (WHEC 2015) in
sein. 640.000 Euro gefördert wird. Eigenschaften der Erdgase (Explosionskenngrößen, Saragossa stellt Hr. Dr. Askar (Fachbereich 2.1) die Er-
Flammengeschwindigkeit etc.). Das wiederum führt zu gebnisse vor: Steigt der Wasserstoffgehalt im Gemisch,
Ein weiteres wichtiges Themenfeld in TAHYA ist die Das Projekt wird vom „Fuel Cells und Hydrogen 2 Joint verändertem Verhalten bei Kontakt mit Anlagenkom- verschieben sich die oberen Explosionsgrenzen, der
Analyse bestehender Normen und Zulassungsvorschrif- Undertaking“ im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung ponenten, Rohrleitungen und Dichtmaterialien und hat Explosionsbereich weitet sich aus. Er zeigte auch, dass
ten mithilfe des Monte-Carlo-Ansatzes der BAM sowie Nr. 779644 finanziert. Auswirkungen auf unterirdische Gasspeicher. übliche Berechnungsmethoden für Explosionsgrenzen
die Erarbeitung von Verbesserungsvorschlägen, um mit Das Unternehmen wird vom Forschungs- und Innova hier ungeeignet sind. Wichen doch in manchen Fällen
den aktuellen Erkenntnissen über Verbundwerkstoffe tionsprogramm „Horizon 2020“ der Europäischen Union Wasserstoff wird als Gemisch durch die berechneten von den realen Explosionsgrenzen zur
den Sicherheitsanforderungen geeignet begegnen zu und von „Hydrogen Europe and Hydrogen Europe Re- sicherheitstechnisch „bedenklichen“ Seite hin ab. Das
können. search“ unterstützt. Rohrleitungen transportiert Vorhaben ist bereits abgeschlossen.
Die Ergebnisse wurden veröffentlicht und der Deut-
Die Abteilung 3 der BAM ist mit Dr. Georg W. Mair und Projektlaufzeit: 2018 - 2021 Die genaue Kenntnis der sicherheitstechnischen Kenn- schen Gesetzlichen Unfallversicherung den Mitgliedsbe-
seinem Team am Vorhaben beteiligt. Im Fokus der größen der Erdgas-Wasserstoff-Gemische ist für den trieben der Berufsgenossenschaft und Aufsichtsbehör-
BAM steht die Verifizierung des Behälterdesigns durch Explosionsschutz der Anlagen unerlässlich. Mit ihrer Hil- den zur Verfügung gestellt.
zerstörende Prüfungen wie Brandversuche, Berst- oder fe werden u. a. Explosionsschutz-Zonen bestimmt und
Lastwechselprüfungen. festgelegt, welche Maschinen, Geräte und Werkzeuge in Projektlaufzeit: 2015
Gasanlagen verwendet werden dürfen. So hängen z. B.
die Zündenergien stark vom Wasserstoffgehalt ab und
sind entscheidend dafür, welche Materialien, beispiels-
weise für Werkzeuge bei der Reparatur von Gasleitun-
gen, eingesetzt werden dürfen.
PROJEKT PHAEDRUS
Forschen für den sicheren Umgang mit Wasserstoff
Zum Thema P2G hat die BAM am EU-Forschungsprojekt wieder zu Wasserstoffatomen reduziert. Natürlich steht
mit dem Kürzel PHAEDRUS mitgearbeitet. Die Wissen- beim Umgang mit hochverdichtetem Wasserstoff die
schaftlerinnen und Wissenschaftler forschten an der technische Sicherheit und insbesondere der Brand- und
Entwicklung eines elektrochemischen Kompressors, der Explosionsschutz im Mittelpunkt. „Unsere Aufgabe lag
mit hohem Wirkungsgrad ohne mechanisch bewegte in der Begutachtung des Sicherheitskonzepts für die
Teile arbeitet. Das Kernstück ist eine Polymer-Memb- Prototypen“, sagt Dr. Volkmar Schröder, der an der BAM
ranelektrode, die Protonen durchlässt, Wasserstoff- den Fachbereich für Gase und Gasanlagen leitet. „Nach
molekülen allerdings den Weg versperrt. Mit Hilfe von unserer Auffassung erfüllt dieser neue Kompressor-Typ
elektrischem Strom werden nun den Wasserstoff- die strengen Anforderungen des Explosionsschutzes in
atomen auf der Niederdruckseite die Elektronen ent- Europa.“
zogen, so dass die verbleibenden Protonen durch die
Membran wandern können. Auf der Hochdruckseite Projektlaufzeit: 2012 - 2015
der Membran werden die Protonen mit den Elektronen
Grafik: Projekt Tahya
20 AUSGEWÄHLTE H2-PROJEKTE | WASSERSTOFF WASSERSTOFF | AUSGEWÄHLTE H2-PROJEKTE 21PROJEKT HAWABRA PROJEKT COD AGE
Wasserstoffsensoren zur früheren Branddetektion Wie man die Lebensdauer von Composite-Druckbehältern vorhersagt
Wasserstoff als Brandprodukt entsteht in einer sehr nerierung, ihrem zeitlichen Verlauf und der Relation zu In den kommenden Jahren werden immer mehr wasser- Die Vorhersage der sicheren Lebens- und Gebrauchsdau-
frühen Brandphase, insbesondere bei Schwelbränden. anderen entstehenden Gasen (z. B. Kohlenstoffmono- stoffbetriebene Elektrofahrzeuge auf Deutschlands er ist bisher nicht zuverlässig ohne zerstörende Prüfun-
Durch die Entwicklung eines geeigneten Wasserstoff- xid) und der Rauchentwicklung unter exakt definierten Straßen unterwegs sein. Für die sichere Speicherung gen möglich. Die Sicherheit von Composite-Druckbehäl-
sensors ist es nicht nur möglich, sehr frühzeitig einen (reproduzierbaren) Brandentstehungsbedingungen. und den Transport dieser Gase gibt es spezielle Behälter, tern hängt von komplexen Wechselwirkungen zwischen
entstehenden Brand zu detektieren, sondern durch die Dadurch wurde eine quantifizierbare Bewertung des deren Konstruktionsprinzipien auch für andere Gefahr- den verarbeiteten Materialien sowie weiteren Aspekten
Erkennung eines Entstehungsbrandes und frühzeitiger Wasserstoffsensors gegenüber bestehenden Syste- güter, meist Gase, zum Einsatz kommen. wie Druck, Feuchtigkeit und Temperatur ab. Diese wer-
Löschmaßnahmen ergibt sich auch eine Vermeidung men erreicht. Aus den Untersuchungen sind ebenfalls Die erste in größerem Umfang hergestellte Genera- den durch aktuelle Methoden der wiederkehrenden Prü-
von Personen- und Sachschäden. Schlussfolgerungen zu den Vorteilen und Grenzen der tion dieser sogenannten Composite-Druckbehälter in fung nicht hinreichend für eine Bewertung der weiteren
Im Rahmen dieses Projektes wurden in der Entwick- Implementierung von Wasserstoffsensoren in Multisen- Deutschland ist heute 15 bis 20 Jahre alt. Zur zuverläs- Gebrauchsfähigkeit erfasst.
lung befindliche Wasserstoffsensoren (TLTS GmbH) sor-Brandmelder ableitbar. sigen Bewertung der Lebensdauer und Früherkennung Im Rahmen des Forschungsprojektes COD AGE wird
in verschiedenen Testbränden, d. h. sowohl im Labor- von Materialschäden hat die BAM das Forschungspro- untersucht, mit welchen primär zerstörungsfreien Prüf-
maßstab (Rauchkammer), als auch in Realbrandsze- jekt „Alterungsverhalten von Composite-Druckgefäßen methoden der Zustand und die sichere Gebrauchsdauer
narien (2-Raum-Containerwohnung mit verschiedenen mit Carbonfaser-Compositen unter gekoppelten Bean- von Composite-Druckbehältern bewertet werden kann.
wohnungstypischen Materialien und Gebrauchsgegen- spruchungen“ (COD AGE) gestartet. Hierzu werden definierte Stichproben von Druckbehäl-
ständen) getestet, insbesondere in Kombination mit tern statisch, zyklisch und thermisch gealtert. Mit den
anderen analytischen Methoden und im Vergleich mit abschließenden zerstörenden Prüfungen wird gleich-
anderen handelsüblichen Branddetektionssystemen. Der zeitig ermittelt, wie sich diese Betriebslasten auf die
Schwerpunkt dieses Projektes lag in der Rauchgaskom- Leistungskennwerte (Bersten, Lastwechsel) dieser
ponentendetektion in der sehr frühen Brandphase, ins- Composite-Druckbehälter auswirken.
besondere der Wasserstoffgenerierung in Abhängigkeit Die BAM nutzt im Projekt eine Vielzahl von Methoden
vom Brandszenario. Es erfolgten umfangreiche Untersu- zur zerstörungsfreien Prüfung, darunter Wirbelstrom-
chungen bezüglich der Korrelation von Brandmaterialien, prüfung, aktive Thermografie, Computertomographie,
thermischen Bedingungen, Strömungsverhältnissen optische und faseroptische Dehnungsmessung, Schall-
und geometrischen Bedingungen zur Wasserstoffge- emissionsprüfung, Modalanalyse, Röntgenrefraktion,
Ultraschallprüfung und Quecksilber-Porosimetrie.
Schwelbrandszenario. Foto: BAM 7.5 Projektlaufzeit: 2015 - 2018
Es konnte anhand der Testbrände gezeigt werden, dass
der H2-Sensor zur Brandfrüherkennung prinzipiell ge-
eignet und ein sehr frühzeitiger Nachweis sehr geringer
H2-Konzentrationen, noch bevor Rauch und CO de-
tektiert werden können, möglich ist. H2-Sensoren sind
somit eine Alternative oder Ergänzung zu traditionellen
Rauch- und CO-Meldern. Für den kommerziellen Einsatz
dieser Sensoren müssen allerdings die Einflussfaktoren,
wie z. B. Luftfeuchtigkeit und Querempfindlichkeiten
mit anderen Brandgasen wie CO weiter verbessert wer-
den.
Projektlaufzeit: 2014 - 2015
3D-Verformungsmessung
Bild: BAM 8.1
H2-Sensoren zur Brandfrüherkennung. Foto: BAM 7.5
22 AUSGEWÄHLTE H2-PROJEKTE | WASSERSTOFF WASSERSTOFF | AUSGEWÄHLTE H2-PROJEKTE 23PROJEKT WASSERSTOFFSPEICHER PROJEKT CryoCode
Neuartige Speicher-Materialien für Wasserstoff-Tankstellen Wasserstoffspeicher, tiefkalt unter Druck
Gegenwärtig ist die Wasserstoffspeicherung für Was- MOF) mit erstaunlichen spezifischen Oberflächen bis zu Mit dem Vorhaben CryoCode sollte die Realisierbarkeit Die aktuelle Gesetzeslage ermöglicht momentan noch
serstoff-Tankstellen oder H2-getriebene Brennstoff- 10.000 m²/g. der tiefkalten Speicherung von gasförmigem Wasser- nicht die Zulassung und das Inverkehrbringen dieser
zellenfahrzeuge auf Hochdruckspeicherung (Fuel-Cell stoff unter hohem Druck untersucht werden. Die neu- Kryodruckspeicher. Die Zulassung stellt jedoch die
Vehicles, FCV) bis zu 900 bar ausgerichtet. In einem Ko- Für Wasserstofftankstellen ist die volumenbezogene artigen doppelwandigen, kryogenen Druckgasspeicher wichtigste Voraussetzung für den Markteintritt und die
operationsprojekt mit der H2-Mobility GmbH arbeitet die Speicherdichte eine wichtige Größe, so dass für die FCV sollten qualifiziert werden. Auch sollten Vorschläge für Industrialisierbarkeit der Kryodruck-Technologie dar.
BAM an einem Konzept zur Wasserstoffspeicherung der in dieser Hinsicht bisher uninteressante Speichermate- die Regelungen zur Zulassung dieser Behälter von der Im Rahmen des Projektes CryoCode wurde von der BAM
nächsten Generation, welches auf der H2-Kryo-Adsorp- rialien plötzlich interessant werden. Leider findet dieser BAM erarbeitet werden. ein Normierungsvorschlag mit den sicherheitstechnisch
tion an maßgeschneiderten porösen Materialien beruht. Parameter in der Literatur kaum Erwähnung, weshalb notwendigen Validierungstests für eine Zulassung des
zu Beginn des Projektes eine Datenbank mit ca. 4.000 Bei der Kryodruck-Speichertechnologie wird Wasserstoff Kryodruck-Tanksystems und der Kryodruck-Betankungs-
Intensive wissenschaftliche Forschungstätigkeiten der publizierten MOF-Materialien erstellt wurde, um sie bei hohem Druck und kryogenen Temperaturen in gas- kupplung erarbeitet. Mit dem in diesem Normierungs-
letzten fünfzehn Jahre haben eine Vielzahl geeigneter nach potentiell höchsten Volumen-Speicherdichten zu förmigem Zustand unterhalb der kritischen Temperatur vorschlag erarbeitetem Validierungsprogramm könnte
Materialien für die Kryo-Adsorption hervorgebracht, mit durchsuchen. Dieses erfolgt mit einer Kombination von von ungefähr -240°C gespeichert. Der isolierte Innen- die Betriebssicherheit über die gesamte Behälterlebens-
denen sich Speicherdichten nahe der Vergleichswerte für Big-Data-Ansätzen und Simulationswerkzeugen sowie behälter ist als Druckbehälter (für Drücke bis 350 bar) dauer einschließlich Extremsituationen für automobile
flüssigen Wasserstoff bei kryogenen Temperaturen von Wirtschaftlichkeits-Informationen. Ziel des Vorhabens ausgelegt und verfügt über eine im Vergleich zum Anwendungen gewährleistet werden.
ca. –196 °C erreichen lassen. Dieses ist durch die Adsorp- ist schließlich eine automatisierte Synthese- und Speicher für verflüssigten Wasserstoff vereinfachte Iso-
tionskräfte zwischen den Gasmolekülen und der spezia- Charakterisierungsplattform. Dazu wurde eine Hoch- lation. Aufgrund der hohen Wärmeaufnahmefähigkeit Neben der BAM arbeiteten die BMW AG, die Linde AG
lisierten Oberfläche der porösen Materialien möglich. druck-Adsorptions-Apparatur in Betrieb genommen und des Speichermediums bei überkritischem Druck wird und ET Technologie GmbH an dem von der Nationalen
validiert, die bis zu 100 bar arbeitet. eine deutlich erhöhte verlustfreie Standzeit gewähr- Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechno-
Die Notwendigkeit zur Erzeugung kryogener Tempera- leistet und ein weitgehend verlustfreier Speicherbetrieb logie (NOW) im Rahmen des Nationalen Innovations-
turen hat solche Adsorptionsspeicher bisher für FCVs Projektlaufzeit: 2017 - 2020 in typischen Fahrzeugnutzungsprofilen ermöglicht. programm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechno-
unattraktiv gemacht. Sie ist jedoch äußerst interessant Darüber hinaus bieten die Kryospeicher energetische logie (NIP) geförderten Vorhaben mit.
für H2-Speicher großer Kapazitäten, wie etwa H2-Tank- Vorteile gegenüber den Druckgasspeichern mit 700 bar,
stellen, wo die technischen Randbedingungen für die da die großtechnische Umwandlung in Tieftemperatur- Projektlaufzeit: 2013 - 2015
H2-Kryo- Adsorption völlig anders gelagert sind. So wasserstoff energetisch effizienter sein kann als die
können kryogene Temperaturen zum Teil aus der Kälte Hochdruckkompression von Wasserstoff.
des angelieferten Flüssig-Wasserstoffs (–254 °C) ab- Die Druckgas- und die Kryodruck-Speicherung sind die
gezweigt und dann mit technisch leicht zu erzeugen- Speichertechnologien für automobile Anwendung mit
dem flüssigem Stickstoff aufrechterhalten werden. Mit den zukunftsfähigsten Perspektiven in Hinsicht auf
Wärmetauschern und Pumpen lassen sich Druck- und Speicherdichte, -gewicht, -kosten und Verlustfreiheit.
Temperaturumwandlungen energieeffizient realisieren.
Die Vorteile von Kryo-Adsorption gegenüber konventio- Doppelwandiger kryogenen Druck-
neller Druckspeicherung liegen vor allem in der Ver- gasspeicher zur Speicherung von
wendung weitaus geringerer Speicherdrücke von etwa tiefkaltem Wasserstoff bei 350bar.
80 gegenüber 900 bar, was zu ihrer Betriebssicherheit Foto: BMW AG
beiträgt.
Umgekehrt werden viel geringere Kühlkosten als für die Wasserstoff-Tankstelle in Wiesbaden.
Verflüssigung von Wasserstoff bis zu seinem Siede- Foto: Felix Krumbholz / H2 MOBILITY
punkt benötigt. Auch sind die Ansprüche an die Isolie-
rung der Anlage sowie die Verdampfung des Wasser-
stoffs für den Verbrauch geringer.
Im Vergleich zu anderen aktuell diskutierten Speicher
technologien, wie die chemische Speicherung als Me-
tallhydrid oder in flüssigen organischen Trägerstoffen,
schneidet die Kryo-Adsorption in puncto vollständiger
Reversibilität sowie ihrer höheren Dynamik besser
ab. Für die Kryo-Adsorption müssen optimale poröse
Materialien gefunden werden, wie etwa Metall-organi-
sche Gerüstverbindungen (Metal-Organic Frameworks,
24 AUSGEWÄHLTE H2-PROJEKTE | WASSERSTOFF WASSERSTOFF | AUSGEWÄHLTE H2-PROJEKTE 25PROJEKT FiBreMoD PRÜFEINRICHTUNGEN
Simulierte Schädigung zur genaueren Lebensdauervorhersage
Um die vielfältigen Themengebiete und Fragestellungen Fallprüfstände
Leichtbaumaterialien und faserverstärkte Verbundwerk- behältern unter Betriebsbelastung. Der Abgleich der rund um das Aktivitätsfeld Wasserstoff geeignet be- Fallprüfungen aus bis zu 9 m Höhe und bis zu 200 t
stoffe spielen durch ihre großen Gewichtsvorteile eine Simulationsergebnisse und die Identifikation kritischer arbeiten zu können, gibt es in der BAM eine Vielzahl von Gesamtgewicht.
wichtige Rolle bei der Reduzierung von Treibhausgasen, Fehlerorte erfolgt durch verschiedene zerstörungsfreie z. T. unikalen Prüfeinrichtungen und Laboren. Neben den
wann immer es um Mobilität und Transport geht. Die Prüfverfahren, darunter die Computertomografie oder drei Standorten in Berlin unterhält die BAM ein Test-
Verwendung von kohlenstofffaserverstärkten Druckbe- die Schallemissionsprüfung. gelände 60 km südlich von Berlin, auf dem Versuchsflä-
hältern ist ein Schlüssel, um Wasserstoff-Brennstoffzel- chen existieren, um u. a. Brandprüfungen, Fallprüfungen
len-Autos wirtschaftlich attraktiv und energieeffizient Zu den 12 Projektpartnern im FibreMoD-Projekt zählen und auch Hochgeschwindigkeits-Durchstoßversuche
zu machen. neben der BAM Siemens Industry Software NV, Toyota durchführen zu können.
Die derzeitigen Baumuster sind jedoch meist über- Motor Europe, University of Southampton, Imperial
dimensioniert. Der Grund: Es mangelt an ausreichend College London, Mines ParisTech Universität, Kath. Uni- Brandprüfstände
zuverlässigen Konstruktionswerkzeugen und Vorher- versität Leuven, Weizmann Institute of Science, Choma- Untersuchung der thermischen Belastbarkeit von Werk-
sagemodellen ihrer mechanischen Eigenschaften. Die rat, 4RealSim, ACRATS Training Services und Diastron stoffen, Bauteilen oder -gruppen.
Entwicklung und Anwendung möglichst präziser Mo- Limited. Wärmeeinträge von bis zu 110 kW/m² in sehr großem
delle zur Alterungsvorhersage von carbonfaserbasierten Das FibreMod-Projekt wird durch das Forschungs- und Maßstab sind genauso möglich wie punktuelle lokale
Verbundwerkstoffen und gleichzeitig die Ausbildung Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Unterfeuerungen.
von 13 Doktoranden zu breit aufgestellten und interdis- Union im Rahmen der Marie-Sklodowska-Curie-Finanz-
ziplinär arbeitenden Forschern sind die Hauptziele des hilfevereinbarung finanziert.
FibreMoD-Projekts. Ziel ist es, eine neue Generation kreativer und inno-
vativer Forscher auszubilden, die Wissen und Ideen in
Inhaltlicher Schwerpunkt der BAM in diesem Projekt Produkte und Dienstleistungen für wirtschaftlichen und
ist die zeitabhängige Schadensentwicklung in Druck- sozialen Nutzen umwandeln.
Doktoranden im FiBreMoD-Projekt.
Foto: FiBreMoD-Projekt
Druckbehälter vor der Fallprüfung.
Wasserstoff-Druckbehälter während einer Teilunter- Hochgeschwindigkeits-Durchschlagversuche
feuerung (oben) und einer Vollunterfeuerung (unten) Prüfstand für Durchschlagprüfung an gasgefüllten
Druckbehältern aus Distanzen von 5 bis 50 m.
Prüfstand für Durchschlagprüfung
Alle Fotos: BAM 3.
26 AUSGEWÄHLTE H2-PROJEKTE | WASSERSTOFF WASSERSTOFF | PRÜFEINRICHTUNGEN 27Sie können auch lesen
