16.09.2020

Dieses Kompetenzfeld betrachtet die sicherheitstechnischen Eigenschaften von Komponenten und Systemen für Wasserstofftechnologien. Dabei spielt die Bauteilprüfung unter Berücksichtigung von Alterungsmechanismen hinsichtlich Bauteilintegrität und Lebensdauer auch unter dynamischen Lastprofilen eine wesentliche Rolle. Über besondere Expertise verfügt die BAM im Bereich Wasserstoffspeicherung, von der Charakterisierung von Mikrorissen über die Prüfung von Unfallbelastungen und die statistische Bewertung der Ausfallwahrscheinlichkeit bis zum Structural Health Monitoring sowie im Bereich Windenergie bei der Festigkeitsanalyse, Fertigung und zerstörungsfreien Prüfung von Gründungsstrukturen und Rotorblättern.

Nachfolgend sind ausgewählte Beispiele unserer Arbeit beschrieben. Detaillierte Informationen dazu finden Sie in unserer Broschüre "Wasserstoff: Unser Beitrag zur Sicherheit" (PDF) .

Druckgasspeicher — Behördliche Aufgabe und Forschungsschwerpunkt der BAM

Wasserstoff wird derzeit überwiegend gasförmig und aus Gewichtsgründen meist in Druckbehältern aus Faserverbundwerkstoffen gespeichert. Zur Erzielung möglichst hoher Speicherdichten, die für große Reichweiten von Wasserstofffahrzeugen notwendig sind, wird der Wasserstoff in der Regel unter sehr hohen Drücken gespeichert.

Druckbehälter müssen so ausgelegt werden, dass sie die vielfältigen Belastungen, die in ihrem Betriebsleben auftreten können, sicher überstehen. Zu diesem Zweck müssen Druckbehälter schon vor ihrem ersten Einsatz und später im Betrieb aufwendigen Prüfungen unterzogen werden. Dazu zählen neben Innendruckbelastungen bei sehr hohen und tiefen Temperaturen auch Brand- oder Fallprüfungen, Säuretests oder auch Durchstoßprüfungen. Ziel ist es, dass die Behälter selbst bei maximalen Betriebsbelastungen sicher bleiben und es nicht zu Gefahrensituationen kommt.

Druckgasspeicher — Ressortberatung und Rechtsfortentwicklung

Die Aspekte der sicheren Speicherung von gasförmigen Energieträgern wie Propan/Butan, Erdgas/Biogas oder Wasserstoff berühren den Alltag und die öffentlich-technische Sicherheit häufiger als man es auf den ersten Blick wahrnimmt. Dies geht von der lokalen Genehmigung des Betriebes von störfallrelevanten Anlagen über die regionale Zulassung entsprechender Fahrzeuge bis hin zum weltweiten Gefahrguttransport.

Entsprechend vielfältig sind die zugehörigen Regeln und die Organisationen, unter deren Dach die Arbeit an diesen Rechts- und Techniknormen stattfindet.Eine zentrale Rolle in Bezug auf die Sicherheit von Druckbehältern während des Transportes und der Speicherung spielen hier die Vereinten Nationen (UN). Hinzu kommen spezifische Vorschriften wie das ADR (Europäisches Übereinkommen über die internationale Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße). Dies alles wird begleitet und unterstützt durch die Normungsarbeit, die teilweise im Auftrag der Bundesregierung stattfindet und dann in nationalen Gremien zusätzlich gespiegelt wird.

Glasspeicher — ein ungewöhnliches Material für Hochdruckspeicher

Damit Wasserstoff nutzbringend handhabbar wird, sucht man seit Jahren nach geeigneten Speichermaterialien. Es kommen auch ungewöhnliche Materialien wie Glas zum Einsatz. Glas besitzt herausragende Eigenschaften, darunter die vergleichsweise extreme Zugfestigkeit und die geringe Materialdichte. So sind potenziell leichte Wasserstoffspeicher möglich. Damit diese Eigenschaften zum Tragen kommen, müssen die Gläser jedoch in Kapillarform vorliegen und der Wasserstoff in den Hohlräumen gespeichert werden. Je nach Form und Größe der Kapillaren ist Glas in der Lage, Drücken über 1.500 bar auszuhalten, sodass Speicherdrücke von 700 bis 1.000 bar realistisch erscheinen.

Im Rahmen eines Forschungsprojekts mit den Partnern C.En (Schweiz) und INCOM (USA) hat die BAM ein System entwickelt, dessen Speicherkapillaren – zu Einheiten aus Millionen von Einzelkapillaren gebündelt – in unterschiedlichen Größen konfektioniert werden können. Zur Darstellung der Machbarkeit wurden erste Prototypen in ein E-Bike und einen E-Scooter verbaut. In weiteren Projekten hat die BAM nach einem Schutz für die empfindlichen Glasoberflächen gesucht, um eine dauerhafte Wasserstoffspeicherung realisieren zu können.

Projekt DELFIN — Wie man Wasserstoffspeicher leichter und sicherer macht

Wer heute abgasfrei Auto fahren will, nutzt meist ein mit Batterien betriebenes Elektrofahrzeug. Deren größte Schwachpunkte sind die lange Ladezeit, ihr hohes Gewicht, die begrenzte Lebensdauer und sehr hohe Kosten. Eine Alternative stellen mit Wasserstoff betriebene Elektrofahrzeuge dar. In deren Brennstoffzellen wird gasförmiger Wasserstoff in Strom umgewandelt, der dann einen Elektromotor antreibt. Die dafür erforderlichen Wasserstoffspeicher können genauso schnell befüllt werden wie die Tanks von Benzin- oder Dieselfahrzeugen. Momentan sind Wasserstoffspeicher aber noch recht schwer und damit in der Herstellung teuer.

Mit dem Projekt DELFIN ist ein Forschungsvorhaben angetreten, im Zeitraum von 2018 bis 2021 einen besonders leichten, günstig produzierbaren und sicheren Wasserstofftank aus Kohlenstofffasern und einem Kunststoffliner zu entwickeln. In dem Vorhaben arbeiten eine Reihe von Autoherstellern, Behälter-Entwicklern und die BAM als Expertin für die Sicherheit von Druckgasbehältern zusammen. Im Fokus der BAM steht die sogenannte Impactbelastung der Wasserstoffspeicher. Die BAM hat einen neuen speziellen Prüfstand entworfen, in dem sie die Belastungen der Speicher mit und ohne Gasfüllung nachstellen wird.

Projekt TAHYA — Mit Carbonfasern zu besonders effizienten und sicheren Wasserstofftanks

Ziel des Forschungsvorhabens TAHYA (TAnk Hydrogen Automotive) ist es, einen besonders effizienten und sicheren Wasserstofftank aus Carbonfasern und einem Kunststoffliner für die Automobilindustrie zu entwickeln. Die Materialien sollen einfach zu wickeln, materialsparend und damit kostengünstig herzustellen sein; die Tanks sollen dünnwandig, platzsparend und leicht sein.

Ein weiteres wichtiges Themenfeld in TAHYA ist die Analyse bestehender Normen und Zulassungsvorschriften mithilfe des Monte-Carlo-Ansatzes der BAM sowie die Erarbeitung von Verbesserungsvorschlägen, um mit den aktuellen Erkenntnissen über Verbundwerkstoffe den Sicherheitsanforderungen zu entsprechen. Im Fokus der BAM steht die Verifizierung des Behälterdesigns durch zerstörende Prüfungen wie Brandversuche, Berst- oder Lastwechselprüfungen.

Projekt GW4SHM — Strukturüberwachung für Wasserstoff-Drucktanks

Wie wäre es, wenn bereits während des Betriebs der hochbelasteten Wasserstofftanks der Zustand des Druckbehälters messtechnisch erfasst werden könnte? Eine Antwort auf diese Frage liefert die Strukturüberwachung, auch als Structural Health Monitoring (SHM) bekannt. Als Erweiterung der zerstörungsfreien Prüfung integriert dieser Ansatz angepasste Messtechnik permanent in das zu überwachende Bauteil. Mittels geeigneter Signalanalyseverfahren können so Aussagen über den aktuellen Alterungszustand des Bauteils oder über das Wachstum von kleinsten Rissen in der Behälterwand abgeleitet werden.

Um dieses Verfahren weiterzuentwickeln, bringt das EU-Projekt GW4SHM (Guided Waves for Structural Health Monitoring) unter Leitung der BAM mehr als 20 europäische Partner aus Wissenschaft und Industrie zusammen, um neue Lösungsansätze in allen Aspekten des SHM zu erarbeiten.