Wasserstoffwirtschaft Mehr Sicherheit im Umgang mit Wasserstoff: Sensoren überwachen Wasserstoff-Druckbehälter

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Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

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Hochdruck-Speichersysteme für Wasserstoff sollen künftig automatisiert überwacht werden. Daran arbeiten Forscher des Fraunhofer LBF. Druckbehälter sollen so wirtschaftlicher betrieben werden können, ohne Abstriche bei der Sicherheit in Kauf nehmen zu müssen.

Als hochbelastete Sicherheitsbauteile stellen Drucktanks zur Speicherung des gasförmigen Treibstoffs ein Kernelement von H₂-Antriebssystemen für Kraftfahrzeuge dar. Behälter aus faserverstärkten Kunststoffen besitzen dabei eine deutlich geringere Masse als reine Metalltanks mit gleichem Arbeitsdruck. Dies macht sie für die Anwendung im Mobilitäts- und Transportsektor attraktiv. Sie werden für eine Nutzungsdauer von bis zu 20 Jahren bei Betriebsdrücken von 200 bis 1000 bar ausgelegt.

Die aktuell im Abstand von zwei Jahren vorgeschriebene Sichtprüfung der Behälter in der Automotive-Anwendung ist eine rein äußerliche Beurteilung, die kaum Rückschlüsse auf den Zustand im Inneren des dickwandigen Faserverbunds erlaubt. Durch „über“-konservative Beanstandungen, die ggf. den unnötigen Austausch eigentlich noch funktionsfähiger Tanks zur Folge haben, können einerseits hohe Reparaturkosten anfallen. Andererseits muss selbstverständlich eine falsche Bewertung eines defekten Tanks als „sicher“ unter allen Umständen ausgeschlossen werden.

Sensorbasierte Strukturüberwachung

Ziel eines Projektes am Fraunhofer LBF ist es eine On-Board-Strukturüberwachung von Druckbehältern zu entwickeln. Sensoren und eine Auswerteelektronik sollen helfen, Structural-Health-Monitoring-Daten (SHM-Daten) objektiver bewerten zu können. Das soll helfen, Wasserstoffbehälter in H₂-Brennstoffzellenfahrzeugen (H₂-FCEV) besser zu überwachen.

Neben der Nutzung der SHM-Daten im Reparatur- und Servicefall, eröffnet sich zukünftig die Möglichkeit, im Rahmen von Rettungseinsätzen bei Fahrzeugunfällen oder Missbrauchsfällen zielgerichtete Maßnahmen für eine sichere Fahrzeugbergung einleiten zu können.

Piezosensoren – das Ohr am Drucktank

Im Rahmen des Projekts arbeitet das Fraunhofer LBF eng mit den Forschungspartnern zusammen. Gemeinsam mit ihnen wird zunächst eine Methodik zu Applikation faseroptischer und piezoelektrischer Sensoren auf Faserverbund-Druckbehälter weiterentwickelt. Die faseroptischen Dehnungssensoren sind dabei in der Lage, die Materialbeanspruchungen im Faserlaminat zu messen. Mit Hilfe der piezoelektrischen Sensoren werden die Ultraschallgeräusche erfasst, die entstehen, wenn die Matrix oder einzelne Fasern des Laminats infolge von Impactschäden oder Überbeanspruchung versagen.

Anhand von Materialproben werden die Schäden des Materials zunächst im Labor künstlich erzeugt, mit den Sensoren erfasst und anschließend anhand der Signalsignaturen klassifiziert. Die entwickelte Sensor- und Applikationstechnologie wird auf die Anwendung an FKV-Hochdrucktanks übertragen und in Berst-, Ermüdungs- und Impact-Versuchen validiert.

Wesentliche Schwerpunkte im Fraunhofer LBF stellen die Entwicklung eines Signalanalyseverfahrens basierend auf der Acoustic-Emission Methode zur Unterscheidung verschiedener materialtypischer Schädigungsmechanismen sowie einer Berechnungsmethodik für das Ermüdungsverhalten des Faserverbunds dar. Schließlich unterstützt das Institut auf Basis seiner bestehenden Erfahrung im Bereich der Fahrbetriebsmessung bei der Einbindung des Behälter-Überwachungssystems in die elektrische, elektronische und informationstechnologische Umgebung des Fahrzeugs.

Mehr Sicherheit, geringere Kosten

Insgesamt verspricht die automatisierte messtechnische Überwachung der Druckbehälter eine nochmalige Steigerung des Sicherheitsniveaus. Gleichzeitig werden hohe Kosten durch den unnötigen Austausch noch funktionsfähiger Tanks vermieden. Zudem ermöglicht die Sensorik eine kostengünstige und im Ablauf effiziente Überwachung der Fertigungsqualität. Durch begleitendes Monitoring lassen sich während der Produktentwicklung mehr Information gewinnen, was zu einer Reduktion von Entwicklungs- und Erprobungszeiten beiträgt.

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