Globaler regulatorischer Rahmen für die Zertifizierung von 70 MPa-Wasserstofftanks

FMVSS Nr. 308 (USA), UN GTR Nr. 13 (UN-ECE) und ISO 15869: Harmonisierte Kernanforderungen für die Genehmigung von Wasserstofftanks

Die Sicherheit von Wasserstofftanks hängt stark von internationalen Normen ab, die sämtliche Aspekte von der Herstellung bis zur Leistung regeln. Drei Hauptvorschriften sind besonders hervorzuheben: FMVSS 308 der US-Regierung, UN GTR 13, entwickelt von den Vereinten Nationen, und ISO 15869, die breitere industrielle Anwendungen abdeckt. Diese Vorschriften legen strenge Anforderungen für Tanks fest, die Wasserstoff bei einem Druck von 70 MPa speichern. Sie verlangen Berstdruckprüfungen, bei denen der Druck vor dem Versagen 175 MPa überschreiten muss, sowie umfangreiche Ermüdungsprüfungen, die etwa 5.500 normale Betankungsvorgänge simulieren. Die Permeationsraten müssen unter 0,15 NmL pro Stunde pro Liter liegen, wenn die Temperatur 85 Grad Celsius erreicht. Was Leckagen betrifft, dürfen nach 200 aufeinanderfolgenden Stunden unter Druck keinerlei nachweisbaren Emissionen auftreten. Die verwendeten Materialien müssen ebenfalls hohen Anforderungen genügen: Kohlenstofffaser benötigt eine Zugfestigkeit von mindestens 3.500 MPa, und die Harzmatrix muss Temperaturen über 120 Grad Celsius standhalten. Alle Hersteller müssen ihre Produkte von akkreditierten, unabhängigen Prüflaboren testen lassen. Dies gewährleistet, dass die Tanks sowohl alltäglichen Beanspruchungen als auch extremen Situationen wie Kollisionen standhalten, bei denen laterale Kräfte bis zu 30G betragen können. Eine solche Standardisierung ermöglicht nahtlose Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Ländern und hält das Risiko katastrophaler Ausfälle äußerst gering – etwa eine Chance pro Million pro Betriebsstunde.

Schlüsselabweichungen: Feuerwiderstandsgrenzwerte in UN R134 im Vergleich zu FMVSS 308 und deren Auswirkungen auf die Wasserstofftankkonstruktion

Unterschiedliche Brandschutzstandards zwingen Ingenieure zu schwierigen Entscheidungen bei der Systemkonstruktion. Die europäische Verordnung 134 verlangt, dass Bauteile extrem heiße Kohlenwasserstoffbrände (rund 1.100 Grad Celsius) mindestens 20 Minuten lang überstehen, ohne ihre thermische Schutzfunktion zu verlieren, während der US-Standard FMVSS 308 mit nur 12,5 Minuten und 800 Grad eine niedrigere Hürde setzt. Dieser erhebliche Unterschied bei den Temperaturanforderungen hat Materialwissenschaftler veranlasst, neue Lösungen zu entwickeln. Unternehmen, die weltweit verkaufen, mischen häufig keramische Mikrokugeln in ihre Harze und verbauen etwa 15 Millimeter dicke Aerogel-Barrieren. Diese Änderungen erhöhen das Gesamtgewicht des Systems um rund 3,8 Kilogramm, reduzieren jedoch das Risiko des Zerfalls von Kohlenstofffasern um fast die Hälfte. Die Einhaltung der strengeren EU-Vorschriften erfordert zudem den Wechsel von herkömmlichen Aluminiumteilen auf teure Titanventile, was die Produktionskosten um etwa 18 % erhöht, aber katastrophale Ausfälle bei Druckspitzen verhindert. Die Betrachtung dieser regulatorischen Unterschiede verdeutlicht, warum Wasserstoffspeicherbehälter regional unterschiedlich konstruiert werden – was auf einem Markt funktioniert, mag den Sicherheitserwartungen woanders nicht genügen.

Strukturelle Integrität und Materialeffizienz von 70 MPa-Wasserstofftanks

Zerfall von Kohlenstoff/Epoxid-Verbundwerkstoffen unter zyklischem Druck und thermischer Beanspruchung

CFRP-Verbundwerkstoffe ermöglichen leichtere Wasserstoffspeicherbehälter, weisen jedoch betriebliche Herausforderungen auf. Wenn diese Behälter wiederholt Druckschwankungen von etwa 5 bis 70 MPa ausgesetzt sind, bilden sich Mikrorisse im epoxidischen Anteil des Materials. Hinzu kommen Temperaturschwankungen – von zu kalten minus 40 Grad Celsius bis zu heißen 85 Grad Celsius – wodurch sich Schichten an den Grenzflächen voneinander lösen. In Kombination dieser beiden Probleme zeigt sich nach etwa 15.000 Zyklen ein Abfall der Berstfestigkeit um 15 % bis 25 %. Schnellere als normale Prüfbedingungen zeigen ein interessantes Ergebnis: Die thermische Belastung verursacht etwa doppelt so viele Risse wie Druckbelastung allein. Dies zeigt, dass Temperaturschwankungen eine größere Rolle für die langfristige Zuverlässigkeit dieser Behälter spielen. Hersteller, die dieses Abbau-Problem bekämpfen, greifen typischerweise auf spezielle hochdehnbare Epoxidharze zurück, die zäher sind, wenn Materialbrüche auftreten. Zudem optimieren sie den Winkel, in dem die Fasern aufgewickelt werden – üblicherweise um plus oder minus 55 Grad – um die Umfangsspannungen besser zu verteilen. Einige Unternehmen verwenden sogar Innenfutter, die mit Nanoclay-Partikeln modifiziert sind, um Wasserstoffdurchtritt zu reduzieren.

Prüfung der Berstdruckfestigkeit, Ermüdungslebensdauer und Dichtheit gemäß SAE J2579 und ISO 15869 Anhang D

Bei der Sicherheitszertifizierung dieser Systeme werden im Wesentlichen drei Hauptaspekte überprüft: der Druck, den der Tank aushält, bevor er platzt, die Haltbarkeit unter wiederholter Belastung und die Dichtheit. Bei der Berstdruckprüfung ist die Anforderung recht einfach – die Tanks müssen mindestens 157,5 MPa standhalten, was etwa dem 2,25-Fachen ihres normalen Betriebsdrucks entspricht, ohne strukturelle Probleme aufzuweisen. Die Dauerfestigkeitsprüfung umfasst das Durchlaufen Tausender von Druckzyklen. Die genauen Zahlen variieren je nach geltendem Standard: etwa 11.000 Zyklen gemäß SAE J2579 oder 15.000 gemäß ISO 15869 Anhang D. Diese Tests simulieren die Bedingungen nach etwa 15 Jahren regelmäßigen Betankens unter realen Bedingungen. Die Prüfung auf Undichtigkeiten erfolgt typischerweise mittels sogenannter Helium-Massenspektrometrie. Bei einem Druck von 87,5 MPa liegt die maximal zulässige Leckagerate entweder bei 0,15 NmL/h/L gemäß SAE-Standards oder bei 0,25 NmL/h/L gemäß ISO-Richtlinien. Tatsächlich besteht auch ein kleiner Unterschied zwischen den Standards hinsichtlich der Sicherheitsfaktoren: SAE J2579 verlangt einen Sicherheitsfaktor von 2,25-fach über dem normalen Druckniveau, während ISO 15869 Anhang D einen Faktor von 2,35-fach über dem Konstruktionsdruck fordert. Neben all diesen Prüfungen führen Hersteller zusätzlich Brand- und Beschussimulationen durch, um zu demonstrieren, wie robust diese Tanks tatsächlich sind. Und nicht zu vergessen sind die thermisch aktivierten Druckentlastungsvorrichtungen (TPRDs), die automatisch eingreifen, sobald der Wasserstoffdruck 110 % der zulässigen Tankbelastung erreicht.

Herausforderungen des thermischen Managements während der 70 MPa-Betankung

Durch den Joule-Thomson-Effekt verursachte Temperaturspitzen: Physik, Messung und Auswirkungen für die Sicherheit von Wasserstofftanks

Wenn Wasserstoff bei den 70-MPa-Betankungen schnell komprimiert wird, entstehen Stellen, an denen die Temperaturen aufgrund des sogenannten Joule-Thomson-Effekts über 85 Grad Celsius ansteigen. Im Grunde heizt sich das Gas beim schnellen Zusammendrücken stärker auf, als das System es wieder abkühlen kann. Diese heißen Bereiche werden zu echten Problemen bei Typ-IV-Tanks. Normen, die von Organisationen wie SAE J2601 festgelegt wurden, verlangen eine kontinuierliche Überwachung mithilfe von Infrarotkameras und integrierten Sensoren während des gesamten Prozesses. Wenn es zu heiß wird, muss das Befüllen tatsächlich unterbrochen werden, bis alles wieder unter die gefährliche Marke von 85 Grad abgekühlt ist. Unkontrollierte Temperaturerhöhungen führen zudem dazu, dass Wasserstoff etwa 15 % schneller austritt pro zusätzlichen 10 Grad Celsius. Noch schlimmer ist, dass die Verbundschichten dadurch Gefahr laufen, sich abzulösen. Deshalb verfügen moderne Systeme mittlerweile über intelligente Steuerungen, die die Menge des eingespeisten Kraftstoffs basierend auf Vorhersagen anpassen, sowie Druckentlastungseinrichtungen, die bereits aktiv werden, bevor kritische Werte erreicht sind. Obwohl diese Sicherheitsmaßnahmen die Effizienz leicht beeinträchtigen – maximal etwa 2 % bei Schnellbetankung –, sind sie unbedingt notwendig, um die Sicherheit aller Verkehrsteilnehmer zu gewährleisten.

FAQ-Bereich

Welche sind die wichtigsten Sicherheitsstandards für 70 MPa Wasserstofftanks?

Die wichtigsten Sicherheitsstandards für 70 MPa Wasserstofftanks umfassen FMVSS 308, UN GTR 13 und ISO 15869, die Anforderungen für Berstfestigkeit, Ermüdungsprüfung und Permeationsraten festlegen.

Wie unterscheidet sich die Feuerbeständigkeit zwischen US- und EU-Vorschriften?

US FMVSS 308 schreibt vor, dass Bauteile 12,5 Minuten bei 800 Grad Celsius aushalten müssen, während die EU-Verordnung 134 20 Minuten bei 1.100 Grad Celsius verlangt, was Auswirkungen auf Materialauswahl und -design hat.

Welche Herausforderungen ergeben sich bei CFRP-Verbunden?

CFRP-Verbunde weisen Probleme mit Rissbildung im Epoxidharz auf, die durch zyklische Druck- und Temperaturbelastung verursacht werden und zu einer früheren Degradation führen, als erwartet.

Welche Druckprüfungen müssen Wasserstofftanks durchlaufen?

Wasserstofftanks unterziehen sich Berstdruckprüfungen, um mindestens 157,5 MPa standzuhalten, sowie Ermüdungslebensdauerprüfungen, die Tausende von Druckzyklen gemäß Normen wie SAE J2579 und ISO 15869 Anhang D umfassen.

Wie beeinflusst der Joule-Thomson-Effekt das Betanken?

Der Joule-Thomson-Effekt kann bei schneller Kompression mit 70 MPa Temperaturspitzen über 85 Grad Celsius verursachen, was Überwachungs- und Kühlmaßnahmen erforderlich macht, um die Sicherheit zu gewährleisten.