Bezpieczne zbiorniki do pojazdów wodorowych

Zbiornik na wodór do pojazdów Fraunhofer

Wodór stanowi nadzieję w kontekście transformacji energetycznej i mobilności, jednak w połączeniu z tlenem tworzy mieszaninę wybuchową, dlatego wymaga ścisłych środków ostrożności podczas jego użytkowania. Obecnie pojazdy zasilane ogniwami paliwowymi przewożą wodór w postaci gazowej w specjalnych zbiornikach ciśnieniowych. Te kluczowe elementy systemu napędowego opartego na wodorze muszą pozostawać w pełni bezpieczne nawet przy maksymalnym obciążeniu roboczym. Aby minimalizować potencjalne zagrożenia, konieczna jest regularna konserwacja systemów magazynowania wysokociśnieniowego.

Obecnie kontrola stanu zbiorników przeprowadzana jest co 2 lata i ogranicza się do zewnętrznej oceny wizualnej. Niemniej jednak ta metoda nie pozwala na wykrycie ewentualnych uszkodzeń wewnętrznych zbiorników. W ramach wspólnego projektu HyMon, naukowcy z Instytutu Trwałości Strukturalnej i Niezawodności Systemu Fraunhofera LBF, we współpracy z partnerami, opracowują system monitorowania oparty na czujnikach. Ten system umożliwia stałe nadzorowanie stanu zbiorników ciśnieniowych H2, co zapewnia wysoki poziom bezpieczeństwa pojazdów zasilanych wodorem. 

Wodór jest obecnie przechowywany w zbiornikach wykonanych z kompozytów włóknistych (FRP) w postaci gazowej pod wysokim ciśnieniem do 700 barów. W porównaniu z zbiornikami metalowymi są one idealne do zastosowania w sektorze mobilności i transportu – wszystko ze względu na swoją niską masę.

Aby zagwarantować bezpieczną eksploatację przez cały okres użytkowania, zbiorniki ciśnieniowe przechodzą przez szeroko zakrojone testy laboratoryjne. Dodatkowo konieczne jest zachowanie integralności zbiornika zarówno podczas powtarzających się operacji tankowania i opróżniania wodoru, jak i w przypadku uszkodzenia (np. w wyniku kolizji z tyłu samochodu). Obecnie standardowe kontrole wizualne pod kątem zewnętrznych uszkodzeń nie są w stanie wykryć takich nieprawidłowości. Alternatywnie, wykrywanie uszkodzeń można przeprowadzić za pomocą tzw. monitorowania stanu konstrukcji zbiornika ciśnieniowego.

Naukowcy z Fraunhofer LBF w Darmstadt opracowują inteligentny system do stałego monitorowania stanu zbiorników wodoru we współpracy z partnerami w projekcie HyMon. Monitoring strukturalny konstrukcji zbiornika składa się z odpowiednich czujników i modułu oceniającego i ma na celu dostarczenie danych do celów serwisowych i naprawczych. Otrzymane informacje pozwolą również na obniżenie kosztów konserwacji i umożliwią bezpieczne użytkowanie zbiorników przez cały okres ich eksploatacji.

Technologia, którą rozwijamy, zapewnia inspektorom TÜV obiektywne informacje o obciążeniach zbiornika, na przykład po wypadku, co umożliwia naturalną ocenę, czy zbiornik nadal nadaje się do ponownego użycia, czy też wymaga wymiany –  mówi Johannes Käsgen, naukowiec z Fraunhofer LBF.

Czujniki natężenia hałasu i odkształcenia wykrywają uszkodzenia zbiornika

Prace badawcze koncentrują się głównie na czujnikach emisji akustycznej. Gdy pojedyncze włókno węglowe pęknie w zbiorniku ciśnieniowym, powstaje fala dźwiękowa, która przemieszcza się przez włókna. Czujniki wykrywają falę dźwiękową o wysokiej częstotliwości i w ten sposób mogą określić liczbę uszkodzonych włókien.

Specjalne przypadki obciążeń, takie jak uszkodzenia w wyniku zderzenia, mogą prowadzić do miejscowych uszkodzeń zbiorników, co skutkuje pękaniem wielu włókien w bardzo krótkim czasie –  wyjaśnia Käsgen – Sygnały pomiarowe są przetwarzane przez elektroniczny moduł, co dostarcza informacji o stanie technicznym zbiornika.

W Fraunhofer LBF opracowuje się niezbędne algorytmy i metody wykrywania pęknięć włókien, takie jak analizy częstotliwości fali dźwiękowej.

Czujniki umieszczone na zbiorniku rejestrują fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości w przypadku pęknięcia włókna, a algorytmy wykrywają te pęknięcia i je zliczają. Jeśli szybkość pękania włókien nagle wzrośnie, oznacza to, że zbiornik z wodorem znajduje się przy końcu okresu użytkowania –  podsumowuje naukowiec.

Ciągły monitoring zapewnia wyższy poziom bezpieczeństwa pojazdów napędzanych wodorem, umożliwiając oszacowanie ewentualnych uszkodzeń nawet przy niewielkich uderzeniach. Kompleksowa kontrola jakości pozwala również uniknąć niepotrzebnej wymiany zbiorników wodoru.

Oprócz czujników emisji akustycznej, w zbiornikach zintegrowane są również czujniki odkształcenia światłowodowego. Składają się one z włókien światłowodowych, w których wkomponowane są tzw. światłowodowe czujniki kratowe Bragga. Włókna szklane są owinięte wraz z warstwą FRP wokół zbiornika bezpośrednio podczas produkcji lub nakładane są na jego powierzchnię. Ich montaż umożliwia ciągłe lub okresowe, automatyczne monitorowanie naprężeń wokół zbiornika z wodorem.

W przeciwieństwie do tradycyjnych czujników tensometrycznych włókna szklane są szczególnie odpowiednie do monitorowania tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem węglowym ze względu na ich odporność na wysokie naprężenia materiału i cykle obciążenia. Z jednej strony, dane pomiarowe z czujników tensorowych są wykorzystywane do weryfikacji modeli obliczeniowych zbiorników ciśnieniowych, a z drugiej strony służą do zrozumienia, jak zmienia się zachowanie materiału w okresie eksploatacji zbiornika, co pozwala na wyciągnięcie wniosków na temat zmęczenia jego powierzchni.

Kompletny układ do badania w badanym pojeździe

Na stanowisku testowym w Fraunhofer LBF badane są czujniki wyposażone w próbki wykonane z płaskich włókien węglowych. Podczas wykonywanych testów generowane są różne rodzaje uszkodzeń, takie jak pęknięcia włókien, pęknięcia matrycy lub rozwarstwienia. Sygnały z uszkodzeń są rejestrowane przez czujniki. Następnie ocenia się, czy czujniki są w stanie rejestrować sygnały w wystarczającej jakości i czy algorytmy mogą prawidłowo identyfikować mechanizmy uszkodzeń na podstawie otrzymanych sygnałów.

W kolejnym etapie kompletny system czujników jest testowany na cienkościennej makiecie pojemnika modelowego, a następnie na wysokociśnieniowych zbiornikach wodoru, które są poddawane cyklicznym obciążeniom pod wewnętrznym ciśnieniem, aż do wystąpienia awarii. W ten sposób zespoły badawcze sprawdzją, ile czujników jest wymaganych do monitorowania struktury, w jakich pozycjach i za pomocą jakich klejów muszą być one optymalnie zamocowane do zbiornika wodoru.

Ostatecznie pojazd testowy jest wyposażany w czujniki i monitorowanie strukturalne konstrukcji zbiornika, a następnie – poddawany testom, które łączą wirtualne awarie z rzeczywistą konfiguracją testową. Celem partnerów projektu jest uaktualnienie całego systemu, aby stał się w przyszłości standardowym systemem monitorowania stanu zbiorników magazynujących wodór.

Źródło prasowe: Fraunhofer

Tagi artykułu

autoExpert 06 2024

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę