Intelligente Druckbehälter für Wasserstofffahrzeuge

15. April 2024 | Forschende vom Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) entwickeln eine Technologie zur automatisierten Zustandsüberwachung für Hochdruck-Speichersysteme. Gegenüber dem rein turnusgemäßen Austausch oder einer oberflächlichen Sichtprüfung soll sie Kosten vermeiden und die Sicherheit erhöhen.

Forschungsziel ist, durch die On-Board-Strukturüberwachung der Druckbehälter ihre kontinuierliche Kontrolle in Brennstoffzellenfahrzeugen zu ermöglichen. Dafür kommen Sensoren und eine Auswerteelektronik zum Einsatz, die die Bewertung auf Basis von Structural-Health-Monitoring-Daten (SHM-Daten) ermöglichen soll.

Neben der Nutzung der SHM-Daten im Reparatur- und Servicefall soll die Technologie auch bei Unfällen zum Einsatz kommen. Die dauerhafte Überwachung soll zudem zielgerichtete Maßnahmen für eine sichere Fahrzeugbergung bei Rettungseinsätzen ermöglichen.

Im Rahmen des Projekts arbeite das Fraunhofer LBF eng mit weiteren Partnern zusammen. Zunächst werde man eine Methodik zur Applikation faseroptischer und piezoelektrischer Sensoren auf Faserverbund-Druckbehälter weiterentwickeln Die faseroptischen Dehnungssensoren seien 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.

Schadenserfassung durch Ultraschallgeräusche

Probe mit Piezosensoren (© Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit)

Anhand von Materialproben werden die Schäden des Materials zunächst im Labor künstlich erzeugt und mit den Sensoren erfasst. Anschließend werden diese 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.

Aktuelle Beurteilung

Insgesamt verspreche die automatisierte messtechnische Überwachung der Druckbehälter eine Steigerung des Sicherheitsniveaus. Gleichzeitig sollen hohe Kosten durch den unnötigen Austausch noch funktionsfähiger Tanks vermieden werden. Zudem ermögliche die Sensorik eine kostengünstige und effiziente Überwachung der Fertigungsqualität. Durch begleitendes Monitoring lasse sich während der Produktentwicklung mehr Informationen gewinnen. So könne das auch zu einer Reduktion von Entwicklungs- und Erprobungszeiten führen.

Als hochbelastete Sicherheitsbauteile stellen Druckbehälter zur Speicherung ein Kernelement von Wasserstoff-Antriebssystemen 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.

Und wie sieht die heutige Vorgehensweise aus? Nach Angaben des Instituts erfolge im Abstand von zwei Jahren eine rein äußerliche Beurteilung. Diese vorgeschriebene Prüfung erlaube jedoch kaum Rückschlüsse auf den Zustand im Inneren des dickwandigen Faserverbunds. Durch „über“-konservative Beanstandungen, die ggf. den unnötigen Austausch eigentlich noch funktionsfähiger Tanks zur Folge haben, könnten einerseits hohe Reparaturkosten anfallen. Andererseits müsse die falsche Bewertung eines defekten Tanks als „sicher“ unter allen Umständen ausgeschlossen werden.

(Quelle: Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit/2024)

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