Wie können H2-Drucktanks auch bei maximalen Betriebsbelastungen sicher bleiben? Im Verbundprojekt HyMon wird eine sensorbasierte On-Board-Strukturüberwachung entwickelt.
Ein vorgeschädigter HyMon-Drucktank wird im Fraunhofer LBF mit Acoustic-Emission-Sensoren versehen.
Fraunhofer LBF
Wasserstoff wird derzeit gasförmig unter hohem Druck von bis zu 700 bar in Behältern aus Faserverbundwerkstoffen (FVK) gespeichert. Bei regelmäßigen Wartungen der Hochdruck-Speichersysteme werden die Tanks mit Sichtprüfungen auf äußere Beschädigungen untersucht. Allerdings können mit dieser konventionellen Prüfmethode Schäden im Inneren nicht detektiert werden. Im Verbundprojekt HyMon entwickeln Forscher des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF gemeinsam mit Partnern eine sensorbasierte On-Board-Strukturüberwachung. Sie soll eine dauerhafte Kontrolle der H2-Drucktanks ermöglichen und so ein hohes Sicherheitsniveau von Wasserstofffahrzeugen gewährleisten.
Diese On-Board-Strukturüberwachung besteht aus Schallemissionssensoren bzw- Acoustic-Emission-Sensoren. Die Sensoren erfassen hochfrequente Schallwelle und können so gebrochene Fasern sowie deren Anzahl ermitteln. "Sensoren am Tank nehmen die hochfrequenten Schallwellen im Falle eines Faserbruchs auf, die Algorithmen detektieren die Faserbrüche, die gezählt werden. Nimmt die Rate an Faserbrüchen plötzlich zu, so ist das ein Indiz, dass der Wasserstofftank am Ende seiner Nutzungszeit ist", so Johannes Käsgen, Wissenschaftler am Fraunhofer LBF. Zusätzlich kommen auch faseroptische Dehnungssensoren in den Tanks zum Einsatz, die aus lichtleitenden Glasfasern bestehen, in die sogenannte Faser-Bragg-Gitter-Sensoren integriert sind. Die Glasfasern werden direkt bei der Herstellung in die FVK-Schicht des Tanks eingewickelt oder nachträglich auf die Oberfläche aufgebracht. Damit ermöglichen sie eine Überwachung von Dehnungen rund um den Wasserstofftank. Die Sensorik soll die Daten für den Service- und Reparaturfall liefern, damit nach einem Unfall entschieden werden kann, ob ein Tank noch verwendbar ist oder ausgetauscht werden muss.
Zustandsüberwachung von H2-Tanks in Serie bringen
Im Prüfstand am Fraunhofer LBF wird die Sensorik zunächst mit Schäden an sensorbestückten Kohlefaser-Flachproben getestet, im nächsten Schritt wird das komplette Sensorsystem an dünnwandigen Modellbehältern und anschließend an Hochdruck-Wasserstofftanks überprüft. Abschließend soll ein Versuchsfahrzeug mit Sensorik und On-Board-Strukturüberwachung ausgerüstet und durch die Kombination von virtuellem Crash und realem Prüfaufbau validiert werden.