Wasserstofffahrzeuge in Tunneln: Unterschätztes Risko?

29. Mai 2024 | Ein Team der TU Graz hat das Gefahren- und Schadenspotenzial der immer zahlreicher werdenden Wasserstofffahrzeuge auf europäischen Straßen untersuchen, speziell in Tunneln. Aus ihren Studien haben die Forscher Empfehlungen für den Straßenverkehr der Zukunft abgeleitet. Fazit: Etwaige Schäden wären groß, ihr Eintreten aber wenig wahrscheinlich.

Immer mehr Wasserstofffahrzeuge (Fuel Cell Electric Vehicles – FCEVs) fahren auf den Straßen Europas. Daraus ergeben sich laut Forschern der TU Graz völlig neue Gefahrenszenarien, speziell in Tunneln.

Das Team hat im Projekt HyTRA untersucht, welche Arten von Zwischenfällen mit wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen in Tunneln realistisch sind, welche Gefahren für Menschen und Tunnelstruktur entstehen und mit welchen Maßnahmen diese Risiken minimiert werden können.

Geringe Wahrscheinlichkeit, hohes Schadenspotenzial

Zu realen Unfällen von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen in Tunneln existieren laut Pressemitteilung der Universität wegen ihres bislang geringen Verkehrsanteils so gut wie keine empirischen Daten. Daher sei in Bezug auf ihre Wahrscheinlichkeit nur eine grobe Einschätzung möglich gewesen, die auf Basis von Erfahrungen mit gasbetriebenen Fahrzeugen erfolgte. Sie deute auf eine geringe Wahrscheinlichkeit hin.

Im Vergleich dazu wurde das potenzielle Schadensausmaß unter anderem auf Basis von Experimenten des 2022 beendeten EU-Projekts HyTunnel-CS untersucht. Das Ergebnis: Durch die hohe Energiedichte von Wasserstoff und seinem hohen Speicherdruck haben FCEVs demnach ein sehr hohes Schadenspotenzial.

Nach aktuellem Standard ist Wasserstoff in Pkw mit 700 bar Druck gespeichert, in Lkw und Bussen mit 350 Bar. Tritt ein Schaden an einem Tank auf, wird schnell sehr viel Energie frei. Gerät Wasserstoff in Brand, verbrennt dieser bei Temperaturen von über 2000 Grad Celsius. Die Tanks seien zwar robust und gut vor mechanischer Einwirkung geschützt, aber einem Auffahrunfall mit einem Lkw halten auch sie nicht stand. Dieses Szenario solle daher „möglichst vermieden” werden.

Drei Gefahrenszenarien

Der wahrscheinlichste Ausgang bei einem Unfall mit einem FCEV sei, dass mit keinen nennenswerten Auswirkungen durch den Wasserstoff zu rechnen ist. Bei schweren Unfällen können jedoch drei verschiedene Gefahrenszenarien eintreten.

Im ersten Fall springt bei steigendem Druck in Folge einer thermischen Einwirkung (z.B. Fahrzeugbrand) das sogenannte Thermal Pressure Relief Device (TPRD) an, das den Wasserstoff in einem kontrollierten Strahl aus dem Tank ablässt. So hält es den Druck auf einem gewissen Niveau und vermeidet eine Tankexplosion. Entzündet sich der abgelassene Wasserstoff – was bei der Vermischung mit Luft leicht geschehen kann -, richtet sich die Flamme auf einen festen Punkt am Boden. Es bleibt dennoch gefährlich, da Wasserstoff farb- und geruchlos verbrennt. Der Gefahrenbereich ist allerdings eingeschränkt.
Versagt das TPRD, kann der Tank explodieren, wobei eine Druckwelle entsteht, die sich durch den gesamten Tunnel ausbreitet: Innerhalb von ca. 30 Metern besteht dabei Lebensgefahr, bis etwa 300 Meter die Gefahr von schweren inneren Verletzungen wie Lungenblutungen, weiter entfernt drohten immerhin noch geplatzte Trommelfelle.
Das dritte Szenario ist das unwahrscheinlichste: Es tritt ein, wenn der Wasserstoff ungezündet freigesetzt wird. Als leichtestes Element im Periodensystem steigt der Wasserstoff auf und sammelt sich unter der Tunneldecke in einer Wolke. Befindet sich dort eine Zündquelle (z.B. heiße Lampen oder ein elektrischer Impuls durch den Start eines Lüfters), folgt eine Wasserstoffwolkenexplosion, die ebenfalls eine Druckwelle verursacht.

Weniger Tempo, ausreichender Abstand

Um die Risiken zu minimieren, nennt das Projektteam um Daniel Fruhwirt vom Institut für Thermodynamik und nachhaltige Antriebssysteme mehrere Maßnahmenempfehlungen.

Strengere Tempolimits, die mit Section Control überwacht werden.
Genaue Abstandskontrollen, die den Fahrer:innen visualisieren, wenn sie zu dicht auffahren.
Bei Stausituationen früher angezeigte Tempolimits, damit die Geschwindigkeit beim Ankommen am Stauende bereits niedrig genug ist, um im Falle eines Auffahrunfalls nur geringe Schäden zu verursachen.

„Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Gefahrenszenarien mit Wasserstofffahrzeugen zwar relativ unwahrscheinlich sind, aber ein großes Schadenspotenzial bergen. Moderne Wasserstofftanks sind so sicher gebaut, dass wirklich viel schiefgehen muss, damit der Wasserstoff austritt“, so Fruhwirt.

 

„Zudem erfüllt die Verkehrsinfrastruktur in österreichischen Tunneln wohl die striktesten Anforderungen in Europa. Da wir nur einen Betreiber für alle Autobahn- und Schnellstraßentunnels haben, ist das Sicherheitsniveau auch sehr homogen. Infrastrukturseitig sind mögliche Schäden an der Tunnelstruktur kaum zu befürchten, für den Menschen wären Unfälle allerdings gefährlich.“

Das Forschungsprojekt ist im Field of Expertise „Mobility & Production“ verankert, einem von fünf strategischen Schwerpunktfeldern der TU Graz. Gefördert wurde es von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG, dem Bundesministerium für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie (BMK) sowie der ASFINAG.

 

(Quelle: TU Graz/2024)

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