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23.12.2016 | Verbundwerkstoffe | Interview | Onlineartikel

"Probabilistische Sicherheitsbewertung"

Autor:
Dr. Elena Winter
Interviewt wurde:
Dr.-Ing. Georg W. Mair

ist ein international ausgewiesener Experte für den Gefahrguttransport von Gasen mit dem Forschungsschwerpunkt auf Umschließungen aus Verbundwerkstoffen. Er ist an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) tätig. 

Eine moderne Technikgesellschaft ohne Wasserstoff ist undenkbar. Entsprechend müssen Druckgasbehälter zur Speicherung des Energieträgers sicher sein. Springer-Autor Dr.-Ing. Georg W. Mair spricht im Interview über neue Wege zur Sicherheitsbeurteilung.

Springer Professional: Im Zuge der Energiewende wird Wasserstoff immer wichtiger, zum Beispiel als Energiespeicher im Bereich Elektromobilität. Welche Chancen und welche Risiken sind damit verbunden?

Georg W. Mair: Die primäre Chance und deshalb auch Motivation der Wasserstoffmobilität ist die Gestaltung von Mobilität ohne CO2-Ausstoß. Dies ist mit Blick auf das Pariser Umweltabkommen eine notwendige Voraussetzung, um Mobilität auch in Zukunft zu gewährleisten. Das gilt nicht nur für Wasserstoff-e-Fahrzeuge, sondern natürlich auch für die reinen Plug-in-Fahrzeuge. Eine weitere Chance liegt darin, dass wir so unabhängig von der Versorgung mit fossilen Energieträgern werden können. Diese Chance ist zunehmend auch für die politisch-strategische Betrachtung von Bedeutung.

Die Risiken sind anders als die der konventionell angetriebenen Fahrzeuge: Während wir für konventionelle Fahrzeuge gegen die Gefährdung durch Dämpfe, Rußpartikel, NOX und CO2 kämpfen, ist das Hauptrisiko des Wasserstoffs der Druck. Aber auch die Entzündbarkeit spielt eine Rolle. Die Frage des Risikos ist aber nicht nur eine Frage ungewollter Konsequenzen, sondern immer auch eine Frage der Häufigkeit oder Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses. Dies gilt insbesondere auch für die Diskussion über die Sicherheitsaspekte. Anhand der Gestaltung und der Qualität der jeweiligen Ausführung lässt sich beurteilen, wie eine „Wasserstoffgesellschaft“ in puncto Risiko im Vergleich zu reinen Batterie-e-, LPG- oder Erdgasfahrzeugen abschneidet. Dabei meint der Begriff der Wasserstoffgesellschaft die sektorenübergreifend regenerative Erzeugung und Verwendung von Wasserstoff und ist damit nicht auf Fragen der Mobilität beschränkt.

Wie ist den genannten Risiken bisher begegnet worden? Welche Sicherheitsstandards von Druckgasbehältern zur Speicherung von Wasserstoff spielten bislang eine Rolle?

Das aktuelle Sicherheitsniveau resultiert aus einer weit über 100 Jahre gewachsenen Sicherheitsphilosophie. Das Ergebnis, das sich noch auf die metallischen, meist nahtlosen Speicher bezieht, ist nicht zu beanstanden. Als in den 80er und 90er Jahren die ersten Composite-Speicher zugelassen werden mussten, war selbstverständlich dieser Erfahrungsschatz der Ausgangspunkt. Der Prozess der Regelwerksanpassung an das Bewusstsein für einen anderen Werkstoff ist noch nicht abgeschlossen und bekommt derzeit eine neue Dynamik. Diese Dynamik ist angetrieben durch das Streben nach leichteren, preisgünstigeren, aber sicheren – insgesamt also nach attraktiveren – Speichereinheiten. Konkret nach den Sicherheitsstandards der zunehmend weltweit zugelassenen Fahrzeuge gefragt, gibt es nicht so viele Unterschiede. Mit Ausnahme des grundsätzlich semi-probabilistischen Ansatzes in der GTR #13 unter dem Dach der Vereinten Nationen ist die Struktur der regionalen Zulassungsvorschriften für Gasspeicher in Wasserstofffahrzeugen sehr ähnlich: Hier handelt es sich um die deterministische Demonstration von Mindestberst- und Lastwechseleigenschaften.

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Was war Ihre Motivation, den Weg der Sicherheitsbeurteilung von Druckbehältern aus Faserverbundwerkstoffen einmal neu zu überdenken?

Von 2003 bis 2008 durfte ich eine Gruppe zu Sicherheitsfragen im Rahmen eines großen EU-Projektes koordinieren. Diese Gruppe hatte unter anderem die Aufgabe, das Potenzial zur Reduktion der Sicherheitsbeiwerte als Kostenfaktor zu beschreiben. Um dieses Potenzial beurteilen zu können, fing ich an, einen probabilistischen Bewertungsansatz aufzubauen. Das Ergebnis war ernüchternd: Es ist alles möglich, aber nicht allgemein, sondern nur unter Berücksichtigung der Streuung und Anwendung statistischer Betrachtungen. Daher habe ich den genannten Weg eingeschlagen und möchte mein Ziel weiterverfolgen: die Wasserstoffmobilität durch sichere und kostengünstige Speicher zu unterstützen.

Welche Alternative zur Sicherheitsbeurteilung schlagen Sie vor?

Die Konsequenz aus meinen Analysen war der Aufbau eines probabilistischen Systems zur Bewertung von Festigkeiten im Neuzustand, aber auch im gealterten Zustand. Gerade die Alterung ist die große und schwer vorhersagbare Unbekannte. Entsprechend schlage ich vor, zumindest bis zu einer deutlich besseren Vorhersagbarkeit von betrieblichen Alterungsprozessen oder deren Erfassung mit zerstörungsfreien Methoden, die Alterung nach statistischen Kriterien mithilfe von Stichprobenprüfungen zu überwachen. Dafür kommen aber immer die Lastwechselprüfung beziehungsweise das in meinem Team entwickelte Verfahren zur langsamen Berstprüfung zum Einsatz.

Inwiefern ist Ihr Ansatz geeignet, um die Sicherheit von Druckbehältern auch in der Praxis laufend zu überprüfen und zu gewährleisten?

Der Ansatz ist grundsätzlich geeignet, um die Schwachstellen in deterministischen Vorschriften zu analysieren oder auch um unmittelbar zur Sicherheitsbewertung im Rahmen von Zulassungsverfahren angewendet zu werden. Da er in der Lage ist, die momentane Zuverlässigkeit einer Population belastbar einzuschätzen, kann er durch wiederholte Anwendung auch zur Beurteilung der Alterung eingesetzt werden.

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