Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »smartVessel«
Wasserstoffdruckbehälter müssen dauerhaft stark belastbar und sicher sein
Wasserstoff unter hohem Druck von rund 700 bar speichern zu können wird für die stationäre und mobile Energieversorgung in der Elektromobilität zukünftig unverzichtbar. Druckbehälter aus Faserverbundkunststoff (FVK) verfügen über die passenden Materialeigenschaften für eine effiziente und sichere Speicherung von Wasserstoff. Allerdings konnten sich die Materialien bisher nicht am Markt etablieren, denn es gibt im Vergleich zu konventionellen Metallbehältern wenig Daten über ihr Verhalten im konkreten Einsatz. Periodische zerstörungsfreie Prüfungen (ZfP) wie die Ultraschallprüfung und Sichtprüfung haben bereits dazu beigetragen, dass Zuverlässigkeit und Sicherheit dieser Komponenten in der Vergangenheit gesteigert werden konnten. Eine große Einschränkung dieser Prüfverfahren besteht jedoch darin, dass sie nicht in ausreichendem Maße sicherstellen können, dass während der Herstellung, zwischen den Inspektionen und auch im Betrieb der Drucktanks keine Schäden auftreten. Schäden in der Behälterstruktur können im schlimmsten Fall zum Austritt von Wasserstoff führen und kostspielige Konsequenzen für den Betreiber haben sowie ein Gesundheitsrisiko bergen. Um dieses Risiko auszuschließen, werden Drucktanks zurzeit mit einem hohen Sicherheitsfaktor ausgelegt und gefertigt. Dadurch erhöhen sich der Materialeinsatz, die Fertigungszeit, der Energieaufwand und die Kosten erheblich.
Zustand und Restlebensdauer des Druckbehälters kontinuierlich überwachen
Die Vorhersagegenauigkeit der Sicherheit von Wasserstoffdruckbehältern während der Betankung und im Betrieb zu verbessern und die Restlebensdauer der Behälter vorherzusagen ist also das Ziel einer intelligenten Zustandsüberwachung. Basierend auf der strukturellen Überwachung (Structural Health Monitoring, kurz: SHM) der Tanks können Wartungen zustandsabhängig statt periodisch geplant werden. Auf Basis der Überwachungsdaten kann dann kontinuierlich das Betriebsrisiko abgeschätzt werden. Die Einschränkungen konventioneller ZfP-Methoden werden dadurch eliminiert, sodass das Vertrauen der Anwender in die Technologie von FVK-Wasserstoffdruckbehältern gesteigert werden kann. Letztendlich kann dies die Reduzierung des Sicherheitsfaktors bei der Auslegung von Druckbehältern ermöglichen.
Niedrigere Wartungskosten und mehr Sicherheit durch integrierte Sensoren
Ziel des Forschungsprojekts »smartVessel« war es, die Wartungskosten für Wasserstofftanks zu senken, indem die gesamte Lebensdauer eines Druckbehälters ohne Sicherheitsrisiken ausgenutzt werden kann. Zusätzlich sollten Erkenntnisse gewonnen werden, inwieweit sich der Sicherheitsfaktor reduzieren lässt, ohne das Sicherheitsniveau zu senken. Dazu wurden glasfaserbasierte Sensoren in das Faserverbundkunststoff-Laminat integriert, die während des laufenden Fertigungsprozesses den Zustand der Wasserstofftanks überwachten. Ein Sensor innerhalb der Glasfaser konnte circa einen Meter lang sein. Er ermöglichte eine kontinuierliche Messung an Tausenden von Punkten, die über diese Strecke verteilt waren. Durch Auswertung der Sensordaten, die durch die Faser übertragen wurden, konnte der aktuelle Belastungszustand bestimmt und die Restlebensdauer ermittelt werden.
Im Projekt erforschte das Fraunhofer IPT, wie sich die Sensoren in einem automatisierten laserunterstützten Tapewickelverfahren in den Lagenaufbau der Tankverstärkung aus Thermoplast integrieren ließen und entwickelte die Sensoren sowie die weitere zugehörige Messtechnik.
Konsortium
Projektkoordinator:
- Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University (Aachen, Deutschland)
Aktive Projektpartner:
- F.A. Kümpers GmbH & Co. KG (Rheine, Deutschland)
- SimpaTec GmbH (Aachen, Deutschland)
- Heracle GmbH (Jena, Deutschland)
- fibrisTerre Systems GmbH (Berlin, Deutschland)
- Wölfel Engineering GmbH & Co. KG (Höchberg, Deutschland)
- Air Liquide S.A. (Paris, Frankreich)
- Fraunhofer IPT (Aachen, Deutschland)
Assoziierte Projektpartner:
- Volkswagen Aktiengesellschaft (Wolfsburg, Deutschland)
- Evonik Resource Efficiency GmbH (Marl, Deutschland)
- Energieagentur.NRW (Düsseldorf, Deutschland)
Förderhinweis
Dieses Projekt erhielt Förderung im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie.
Förderkennzeichen: 03ETB015E