Intelligente Tanks für Wasserstoff-Fahrzeuge

Wasserstoff kann Grundpfeiler einer klimaneutralen, nachhaltigen Mobilität sein. Das Projekt entwickelt Technologien zur automatisierten Zustandsüberwachung für Hochdruck-Speichersysteme. Druckbehälter können so wirtschaftlicher betrieben werden, ohne Abstriche bei der Sicherheit in Kauf nehmen zu müssen. Ziel ist beispielsweise die Unterscheidung kritischer von unkritischen Ereignissen im Betrieb. Gegenüber dem rein turnusgemäßen Austausch oder einer nur oberflächlichen Sichtprüfung werden so unnötige Kosten vermieden und die Sicherheit erhöht. Auf diese Weise werden wesentliche Voraussetzungen für die weitere Verbreitung der Wasserstoff-Technologie geschaffen.

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 [1]. Dies macht sie für die Anwendung im Mobilitätssektor attraktiv. Sie werden für eine Nutzungsdauer von bis zu 20 Jahren bei Betriebsdrücken von 200 bis 1000 bar ausgelegt [2].

Die aktuell im Abstand von zwei Jahre vorgeschriebene Sichtprüfung der Behälter 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.

Dauerhafte Überwachung in H2-Brennstoffzellenfahrzeugen

Ziel des Projekts ist, durch die On-Board-Strukturüberwachung von Druckbehältern mittels geeigneter Sensoren und Auswerteelektronik die Bewertung auf Basis von Structural-Health-Monitoring-Daten (SHM-Daten) zu objektivieren und zukünftig eine dauerhafte Überwachung in H2-Brennstoffzellenfahrzeugen (H2-FCEV) zu ermöglichen. 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.

Lösungsweg:

Im Rahmen des Projekts arbeitet das Fraunhofer LBF eng mit den Partnern zusammen. Gemeinsam mit ihnen wird zunächst eine Methodik zu Applikation faseroptischer und piezoelektrischer Sensoren auf Faserverbund-Druckbehälter weiterentwickelt. Anschließend gilt es, den Einfluss der im Material möglicherweise vorhandenen Schädigung auf die Signalqualität der Sensoren sowie deren Lebensdauer zu untersuchen. Die entwickelte Sensor- und Applikationstechnologie wird auf die Anwendung an FKV-Hochdrucktanks übertragen und in Berst-, Ermüdungs- und Impact-Versuchen eingesetzt. Wesentliche Schwerpunkte des LBF stellen die Entwicklung eines Signalanalyseverfahrens 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.

Steigerung des Sicherheitsniveaus

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 lässt sich in Versuchen an Prototypen mehr Information gewinnen, was zu einer Reduktion von Entwicklungs- und Erprobungszeiten beiträgt.

[1] Gorman, M.R. Modal AE analysis of fracture and failure in composite materials, and the quality and life of high pressure composite pressure vessels. J. Acoust. Emiss. 2011, 29, 1–28.

[2] ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Sec. X, Fiber-Reinforced Plastic Pressure Vessels; Mandatory Appendix 8-620 and NB10-0601, Supplement 9; The American Society of Mechanical Engineers: New York, NY, USA, 2015; 290p

Unsere Partner:

Hexagon Purus GmbH
FEV Europe GmbH
MeFeX GmbH
Technische Hochschule Köln
RWTH Aachen University (KöR)

Dieses Projekt wird gefördert von dem Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur