A 70 MPa-os hidrogéntartályok tanúsításának globális szályozási kerete

FMVSS 308. számú (USA), UN GTR 13. számú (UN-ECE) és ISO 15869: Harmonizált alapkövetelmények a hidrogéntartályok jóváhagyásához

A hidrogéntartályok biztonsága erősen azon nemzetközi szabványokon alapul, amelyek a gyártástól a teljesítményig mindenre vonatkoznak. Három fő szabályozás emelkedik ki: az amerikai kormányzattól származó FMVSS 308, az Egyesült Nemzetek által kidolgozott UN GTR 13, valamint az ISO 15869, amely tágabb ipari alkalmazásokat fed le. Ezek a szabályok szigorú követelményeket állítanak a 70 MPa nyomású hidrogéntárolásra. Olyan robbantási teszteket írnak elő, ahol a nyomásnak meghaladnia kell a 175 MPa-t hibamentes működés esetén, továbbá kiterjedt fáradási vizsgálatokat, amelyek kb. 5500 alkalommal modellezik a normál üzemanyag-töltés során fellépő hatásokat. A permeációs ráta nem haladhatja meg az óránként literenként 0,15 NmL-t, amikor a hőmérséklet eléri a 85 °C-ot. Szivárgás szempontjából egyszerűen nem lehet észlelhető kibocsátás akkor, ha a tartályt 200 egymást követő órában nyomás alatt tartják. Az alkalmazott anyagoknak is szigorú specifikációknak kell megfelelniük: a szénszálnak legalább 3500 MPa szakítószilárdsággal kell rendelkeznie, és az epoxigyanta mátrixnak ellenállónak kell lennie a 120 °C feletti hőmérsékletekkel szemben. Minden gyártónak termékeit megfelelően akkreditált független laboratóriumokban kell teszteltetnie. Ez biztosítja, hogy a tartályok képesek legyenek kezelni a normál kopást és a sérülést, valamint extrém helyzeteket is, mint például ütközéseket, ahol oldalirányú erők akár 30G-t is elérhetnek. Az ilyen szabványosítás lehetővé teszi, hogy különböző országok zökkenőmentesen együttműködjenek, miközben a katasztrofális meghibásodások kockázata rendkívül alacsony maradjon — kb. egy az egymillióhoz az üzemórákra vetítve.

Kulcsfontosságú különbségek: Tűzállósági küszöbértékek az UN R134 és az FMVSS 308 között, és hatásuk a hidrogéntartályok tervezésére

A különböző tűzvédelmi szabványok nehezen megoldható döntések elé állítják a mérnököket rendszerek tervezésekor. Az Európai Unió 134-es rendelete azt írja elő, hogy az alkatrészeknek extrém hőmérsékletű szénhidrogén-tüzekben (kb. 1100 °C-os hőmérsékleten) legalább 20 percig kell túlélniük, anélkül, hogy elveszítenék hőszzigetelő képességüket, míg az amerikai FMVSS 308-as szabvány csak 12,5 percet és 800 °C-ot ír elő. Ez a jelentős hőmérsékleti különbség arra kényszerítette az anyagtudósokat, hogy új megoldásokat dolgozzanak ki. A világszinten értékesítő vállalatok gyakran kerámia mikrogolyákat kevernek gyantaanyagaikba, és kb. 15 milliméter vastag aerogélbarikot építenek be. Ezek a módosítások ugyan kb. 3,8 kilogrammal növelik az egész rendszer tömegét, de a szégszálak lebomlásának kockázatát majdnem felére csökkentik. A szigorúbb EU-szabályoknak való megfelelés azt is jelenti, hogy a rendszeres alumínium alkatrészekről drága titán szelepekre kell áttérni, ami kb. 18%-kal növeli a gyártási költségeket, de megelőzi a katasztrófális meghibásodásokat nyomáscsúcsok idején. Ezek a szályozási különbségek magyarázzák meg, hogy miért készülnek eltérően a hidrogéntárolók különböző régiókban – ami az egyik piacon működik, az esetleg nem felel meg a másik piac biztonsági elvárásainak.

70 MPa hidrogéntartályok szerkezeti integritása és anyagmegbízhatósága

Szén/epoxi kompozit degradáció ciklikus nyomás és hőfeszültség hatására

A CFRP kompozitok könnyebbé teszik a hidrogén tárolótartályokat, de működés közben felmerülnek problémák. Amikor ezek a tartályok ismétlődő nyomásváltozásoknak vannak kitéve körülbelül 5 és 70 MPa között, apró repedések kezdenek kialakulni az epoxi részben. Emellett hőmérsékletingadozások is fellépnek, hidegben mínusz 40 fok Celsiusig, melegben pedig 85 fokig, ami az interfészeknél rétegek leválását okozza. A két probléma együttes hatására a repedési szfestősség kb. 15% és 25% között csökken kb. 15 ezer ciklus után. A gyorsabb, normálnál intenzívebb tesztelés érdekes eredményt mutatott: a hőciklus kb. kétszer annyi repedést okoz, mint a nyomásciklus külön. Ez azt jelzi, hogy a hőmérsékletingadozás hosszú távon nagyobb szerepet játszik a tartályok megbízhatóságában. A gyártók, akik ezt a degradációs problémát próbálják kezelni, általában speciális, nagy alakváltozásra képes, ütődésebb epoxi anyagokat használnak. Emellett módosítják a szálasítás szögét is, általában plusz-mínusz 55 fok körül, hogy jobban eloszlasszák a gyűrűs feszültségeket. Néhány cég még nanoclay részecskékkel módosított belső rétegeket is beépít, hogy csökkentsék a hidrogén átszivárgását.

Szörgési nyomás, fáradási élettartam és széritlenségi vizsgálat az SAE J2579 és az ISO 15869 D. melléklete szerint

Amikor ezeknek a rendszereknek a biztonsági tanúsításáról van szó, alapvetően három fő dolgot ellenőriznek: mekkora nyomást bír el a tartály robbanásig, mennyi ideig tart ki ismételt terhelés alatt, és egyáltalán szivárog-e. A robbanáspróbák esetében az előírás egyszerű – a tartályoknak legalább 157,5 MPa nyomással szemben kell ellenállniuk anélkül, hogy szerkezeti hiba lépne fel, ami körülbelül 2,25-szorosa a normál üzemi nyomásuknak. A fáradásvizsgálat során a tartályokon több ezer nyomásciklust végeznek. A pontos számok attól függően változnak, hogy melyik szabvány vonatkozik: körülbelül 11 000 ciklus az SAE J2579 szerint, vagy 15 000 ciklus az ISO 15869 D. melléklete szerint. Ezek a tesztek azt szimulálják, ami körülbelül 15 évnyi rendszeres tankolás után történik meg a valós körülmények között. A szivárgás ellenőrzése általában úgynevezett héliumtömeg-spektrometriát igényel. 87,5 MPa nyomás mellett a maximálisan engedélyezett szivárgási ráta az SAE szabványok szerint 0,15 NmL/óra/L, míg az ISO irányelvek szerint 0,25 NmL/óra/L. Valójában kis eltérés van a szabványok között a biztonsági tényezőknél is. Az SAE J2579 2,25-szörös biztonsági tényezőt ír elő a normál nyomásszint felett, míg az ISO 15869 D. melléklete 2,35-szöröst követel meg a tervezési nyomás felett. Mindezen tesztek túlmenően a gyártók tűzpróbákat és lövedékpróbákat is végeznek, hogy bebizonyítsák, mennyire ellenállók valójában ezek a tartályok. És ne feledkezzünk meg a termikus működtetésű nyomásengedélyező berendezésekről (TPRD-k), amelyek automatikusan működésbe lépnek, amint a hidrogén nyomása eléri a tartály névleges értékének 110%-át.

Hőkezelési kihívások a 70 MPa töltés során

Joule-Thomson-effektus által okozott hőmérsékletcsúcsok: fizikai alapok, mérések és következmények a hidrogéntartályok biztonságát illetően

Amikor a hidrogént gyorsan összepréselik a 70 MPa-s tankolások során, olyan pontok keletkeznek, ahol a hőmérséklet a Joule-Thomson-effektus miatt 85 °C felettre emelkedik. Alapvetően amikor a gázt ilyen gyorsan sűrítik, hevülése gyorsabb, mint amennyire a rendszer le tudja hűteni. Ezek a melegedési pontok valódi problémát jelentenek a IV. típusú tartályok számára. Az SAE J2601-hoz hasonló szervezetek által meghatározott szabványok folyamatos felügyeletet írnak elő infravörös kamerák és beépített érzékelők segítségével az egész töltési folyamat alatt. Ha a hőmérséklet túl magasra emelkedik, a töltést ténylegesen meg kell szakítani, amíg minden vissza nem hűl az 85 fokos veszélyes határ alá. Ha ezeket a hőmérsékleteket ellenőrizetlenül növelik, a hidrogén akár 15%-kal többet szivárog ki minden további 10 °C-os hőmérséklet-emelkedésnél. Még rosszabb, hogy a kompozit rétegek elválásának kockázatát is növeli. Ezért a modern rendszerek most már olyan intelligens vezérlést tartalmaznak, amely a befecskendezett üzemanyag mennyiségét előrejelzések alapján állítja be, valamint nyomáscsökkentő berendezéseket, amelyek már jóval az elérhetetlen szintek előtt aktiválódnak. Bár ezek a biztonsági intézkedések enyhén csökkentik az üzemanyag-feltöltés hatékonyságát – maximum kb. 2%-kal a gyors töltések során –, mindenképpen elengedhetetlenek ahhoz, hogy a közúti közlekedés biztonságos maradjon.

GYIK szekció

Mik a 70 MPa nyomású hidrogéntartályok főbb biztonsági szabványai?

A 70 MPa nyomású hidrogéntartályok főbb biztonsági szabványai közé tartoznak az FMVSS 308, az UN GTR 13 és az ISO 15869, amelyek előírják a szétpukkanási nyomásra, fáradási vizsgálatokra és áteresztési sebességre vonatkozó követelményeket.

Hogyan különbözik a tűzállóság az amerikai és az európai szabályozásokban?

Az amerikai FMVSS 308 szabvány azt írja elő, hogy az alkatrészeknek 800 Celsius-fokon legalább 12,5 percig kell ellenállniuk, míg az EU 134. rendelete 20 percig tartó, 1100 Celsius-fokos hőmérsékletet ír elő, ami befolyásolja az anyagválasztást és a tervezést.

Milyen kihívásokkal néz szembe a CFRP kompozit anyag?

A CFRP kompozit anyagoknál problémát jelenthet az epoxi gyakori nyomás- és hőmérsékletváltozás okozta repedésképződése, amely korábbi degradációhoz vezethet, mint amennyire számítanak.

Milyen nyomáspróbákon esnek át a hidrogéntartályok?

A hidrogéntartályok olyan szétpukkanási nyomáspróbákon esnek át, amelyek során legalább 157,5 MPa nyomást kell elviselniük, valamint fáradási élettartam-vizsgálatokon, amelyek ezrekre rúgó nyomásciklust foglalnak magukban az SAE J2579 és az ISO 15869 D. melléklete szerint.

Hogyan befolyásolja a Joule-Thomson-effektus a tankolást?

A Joule-Thomson-hatás gyors összenyomás során 70 MPa-nál akár 85 °C feletti hőmérséklet-növekedést is okozhat, ami biztonságos működés érdekében megfigyelést és hűtési intézkedéseket tesz szükségessé.