Die Anwendung von Wasserstoff als Energieträger wird derzeit als Teil der Lösung zur Bewältigung des weltweiten Klimawandels erachtet, durch dessen Umsetzung eine effektivere und kohlenstoffärmere Wirtschaft gefördert wird. Dabei ist die Wasserstoffspeicherung eine Schlüsseltechnologie für die Weiterentwicklung der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie für Anwendungen wie der stationären und mobilen Energieversorgung im Transportwesen. Für die zuverlässige Speicherung alternativer Kraftstoffe wie Wasserstoff gibt es verschiedene Möglichkeiten, wobei Hochdruckbehälter mit Drücken bis zu 700 bar sich zurzeit immer mehr als Standard durchsetzen.
Moderne Typ IV Druckbehälter bestehen aus einem metallischen Bosspart für die Betankung, einem Polymerliner und einer äußeren Schicht aus Faserverbundkunststoff (FVK). Die Einführung und Vermarktung solcher Wasserstoffdrucktanks stellen hohe Anforderungen in Bezug auf die Sicherheit für Transport und Speicherung. Konventionelle Methoden der periodischen zerstörungsfreien Prüfung (ZfP), zum Beispiel Ultraschallprüfung und Sichtprüfung, haben zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und Sicherheit von Wasserstoffdruckbehältern beigetragen, sind jedoch mit einem hohen Aufwand und Kosten verbunden und können keine Schäden im Inneren des Tanks detektieren.
Ziel des laufenden Forschungsprojektes Smartvessel (Förderkennzeichen: 03ETB015E) ist daher eine intelligente Zustandsüberwachung der Wasserstoffdruckbehälter, um die Sicherheit während der Betankung und im Betrieb zu verbessern und eine zustandsabhängige Wartung zu ermöglichen. Dadurch sollen die Wartungskosten gesenkt und eine sichere Ausnutzung der gesamten Lebensdauer gewährleistet werden. Im Forschungsfokus der Beteiligten steht dabei die Integration von faseroptischen Sensoren in die FVK-Schicht des Tanks, um eine kontinuierliche oder periodische automatisierte Überwachung von Dehnungen und Temperaturunterschieden rund um den Wasserstofftank zu ermöglichen.
Faseroptische Sensoren mit einem Durchmesser von etwa 100 μm haben dabei den Vorteil, besonders einfach in die Struktur des kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffs integrierbar zu sein.Sie leiten das Licht nahezu verlustfrei über große Strecken und ermöglichen verteilte Messungen von Parametern wie Temperatur und Dehnung über die gesamte Faserlänge mit einer hohen örtlichen Auflösung über nur einen Anschluss. Dabei wird Laserlicht in das Faserende eingespeist und das Rückstreusignal gemessen. Aufgrund der Tatsache, dass optische Fasern intrinsisch sensitiv gegenüber äußeren Einflüssen sind, verändert sich das gemessene Signal bei mechanischen oder thermischen Belastungen und liefert somit die Grundlage für Dehnungs- und Temperaturmessungen.
In Smartvessel wird die Integration der Sensoren von der Auslegung der Tanks mittels FEM-Simulation (SimpaTec), über die Herstellung von unterschiedlichen faseroptischen Sensoren (heracle), vorimprägnierte Kohlenstofffasern mit Sensoren (F.A. Kümpers) sowie thermoplastische Materialen (Evonik) bis zur Tankherstellung mit dem Multifilament Wickelverfahren (ITA) und dem thermoplastischen Tapewickelverfahren (IPT), sowie Auswertung der optischen Daten (fibrisTerre und IPT) ganzheitlich betrachtet werden. Die simulierte und gemessene Dehnungsfeldentwicklung, die bei hydraulischen Berst- und zyklischen Tests, ermittelt wurde, soll anschließend für die Entwicklung eines modellbasierten Systems zur Zustandsbewertung und Vorhersage der Restlebensdauer von Wasserstofftanks verwendet werden (Wölfel).
Optische Frequenzbereichs Reflektometrie
Am Fraunhofer IPT wird ein rayleighbasiertes Messverfahren verwendet, um die faseroptischen Sensoren auszuwerten. Dabei wird die Tatsache genutzt, dass jede einzelne Faser im lichtleitenden Kern kleine Inhomogenitäten und Defekte aufweist. An diesen Stellen wird das eingespeiste Licht unkontrolliert gestreut und ein Teil des Lichts zurück reflektiert. Dieses Rückstreuspektrum wird von Sensoren detektiert und ist dabei einzigartig für jede einzelne Faser und vergleichbar mit einem charakteristischen Fingerabdruck.
Durch mechanische oder thermische Belastung verschiebt sich das charakteristische Spektrum und diese Verschiebung kann dann in Dehnungs- oder Temperaturunterschiede umgerechnet werden. Das Verfahren wird auch als Optische Frequenzbereichs Reflektometrie (OFDR) bezeichnet. Der Vorteil gegenüber anderen faseroptischen Sensoren, wie zum Beispiel den Faser-Bragg-Gittern, ist die Möglichkeit, unbearbeitete Standard-Telekommunikationsfasern zu nutzen und eine verteilte Dehnungs- und Temperaturmessung über die gesamte Faserlänge durchzuführen. Da keine aufwendige Nachbereitung des Faserkerns erforderlich ist, sind die erforderlichen Fasern günstig kommerziell erhältlich.
Um die optischen Fasern als verteilte Sensoren in Wasserstofftanks einzusetzen, wird in einem ersten Schritt das Sensorverhalten von faseroptischen Sensoren, die in ein FVK-Laminat integriert sind, unter unterschiedlichen Belastungsbedingungen, das heißt Zug, Druck und Scherung, ermittelt. Hierfür wurde am Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen (ITA) eine Methode zur Probekörperherstellung entwickelt. Als Referenz wurden ebenfalls Probekörper ohne integrierte Sensoren getestet. Dabei konnten keine negativen Einflüsse auf die mechanischen Kennwerte durch die Integration der Sensorfasern festgestellt werden.
In einem nächsten Schritt wurden Livemessungen mit dem faseroptischen Messsystem während der Materialversuche durchgeführt und diese mit den Maschinendaten verglichen. Dabei konnte die prozentuale Dehnung über die gesamte Faserlänge bestimmt werden. Anhand der umfangreichen Messungen und Ergebnisse der Materialversuche wird derzeit ein Typ IV Druckbehälter ausgelegt und basierend auf einer detaillierten FEM-Analyse ein detailliertes Konzept für die Sensorpositionierung erstellt. Aufgrund des dünnen Durchmessers der Sensoren und des damit einhergehenden hohen Bruchrisikos für freie optische Fasern, wurde für die Drucktanks mittels 3D-Druck eine spezielle Anschlussstelle für die optischen Kabel gefertigt und somit das Risiko für beschädigte Sensoren minimiert. Dabei wurden im Drucktank zwei Sensorfasern integriert und die genaue Funktionsweise der optischen Sensoren bereits in einem thermischen Belastungsversuch untersucht. Dabei konnten Temperaturunterschiede von circa 1 °C für die gesamte Faserlänge aufgelöst werden. In einem nächsten Schritt sollen die gefertigten Tanks nun in Berst- und zyklischen Versuchen getestet und die integrierten Sensoren validiert werden. Dazu werden die Tanks hydraulischen Tests unterzogen und der minimale Berstdruck, welcher auf das 2,3-fache des Betriebsdruckes von 350 bar ausgelegt ist, validiert werden. Dabei werden kontinuierlich Messdaten mit den faseroptischen Sensoren aufgenommen und das kritische Versagen der Verbundstruktur untersucht. Ziel ist eine Evaluierung des Sensorsystems im Drucktank.
Für Struckturüberwachung gut geeignet
Es kann zusammenfassend festgestellt werden, dass sich faseroptische Sensoren für die Strukturüberwachung von FVK-Drucktanks eignen. Durch ihre Beschaffenheit lassen sie sich schon während des Produktionsprozesses in die Struktur integrieren. Die integrierten Sensoren können dann mit einer Auflösung im Millimeterbereich mechanische und thermische Belastungen aufzeichnen. Dadurch können auch Defekte oder Strukturveränderungen im Inneren des Tanks detektiert und die Sicherheit der Wasserstoffdruckbehälter erhöht werden. Darüber hinaus bietet es die Möglichkeit, die zusätzlich erhobenen Daten zu nutzen, um die gesamte Lebensdauer des Drucktanks ohne Sicherheitsrisiken auszunutzen und zum Beispiel predictive maintenance Modelle zu trainieren.
Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.
.jpg "Um die wachsende Stromlast erneuerbarer Energien abzudecken")
