Sensorbasierte Strukturüberwachung von automobilen Wasserstoff-Tanks

15.08.2022
Im Nasswickeln hergestellter Typ 4 Druckbehälter Urheberrecht: © Hexagon Purus GmbH

Im Nasswickeln hergestellter Typ 4 Druckbehälter

 

Durch die Speicherfähigkeit und vielseitige Anwendbarkeit spielt Wasserstoff eine zentrale Rolle, um zukünftig steigende Mobilitätsansprüche zu befriedigen und die einhergehenden Risiken des Klimawandels zu minimieren. H2-Brennstoffzellen bieten sich hierbei als wirkungsvolle Technologie für elektrifizierte Fahrzeuge an, deren breite Markeinführung aber bislang mit vielen technischen und systemischen Risiken sowie hohen wirtschaftlichen Herausforderungen verbunden ist.

Als hochbelastete Sicherheitsbauteile stellen Druckbehälter zur Speicherung des gasförmigen Treibstoffs ein Kernelement von H2-Antriebssystemen für Kraftfahrzeuge dar. Im Sinne des Leichtbaus werden sie meist im industriell etablierten Nasswickelverfahren aus Faser-Kunststoff-Verbunden hergestellt. Die durch Betriebsdrücke von bis zu 700 bar entstehenden Beanspruchungen werden bei dieser Bauform im Wesentlichen durch endlose Kohlenstofffasern aufgenommen.

Aus Sicherheitsgründen sind über die Betriebsdauer der Fahrzeuge wiederkehrende Prüfungen der Gasanlage im Rahmen der Hauptuntersuchung alle zwei Jahre vorgeschrieben. Die Schadensdetektion erfolgt bisher mittels einer Sichtprüfung auf äußere Beschädigung der Tanks, hervorgerufen z.B. durch Stoß- oder Schlagbelastungen.

Das ambitionierte Innovationsprojekt HyMon nimmt sich der Herausforderung einer sensorbasierten On-Board-Strukturüberwachung für 700 bar H2-Druckbehältern an. Konkret werden im Projekt Schallemissions- und Dehnungssensoren mit Schwerpunkt auf akustische und dehnungsbasierte Messprinzipien und das neue Sensorprinzip eines kostengünstigen, gedruckten Widerstandsensors mit Diodenmatrix untersucht. Eine Strategie zur Integration von faseroptischen Sensoren bei der Herstellung der Composite-Druckbehälter im Nasswickelverfahren und die Ableitung der Anforderungen an den Fertigungsprozess werden entwickelt. Das Gesamtsensorsystem wird final mit angepasster Tank-Control-Unit in ein Versuchsfahrzeug integriert und durch die Kombination zwischen virtuellem Crash und realem Prüfaufbau validiert.

„Durch diese durchgängige On-Board-Strukturüberwachung der Druckbehälter wird ein hohes Sicherheitsniveau von H2BZ-Fahrzeugen gewährleistet, da mögliche Schäden, auch bei kleinen Impakts, wie z.B. durch das Aufsetzen auf einen Poller, detektiert werden können“ erläutert Christian Kaufhold, technischer Projektleiter bei der Firma Hexagon.

Dr. Volker Strubel, Verbundkoordinator des Projekts ergänzt, dass „so eine automatisierte, elektronische Bewertung der eingebauten Behälter innerhalb von wenigen Minuten mit den im Fahrzeug gespeicherten Informationen zukünftig ermöglicht wird“. Diese sensorbasierte Bewertung auf Basis von Strukturüberwachungsdaten verringert den Reparaturaufwand im Falle des überkonservativen Austauschs vollintakter Behälter. Ferner kann die Sensorik ebenfalls zur kostengünstigen und effizienten Überwachung der Fertigungsqualität eingesetzt werden.

Das kürzlich gestartete dreijährige Forschungsprojekt Projekt HyMon wird im Rahmen Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Phase 2 (NIP II) vom Bundesministerium für Digitales und Verkehr mit rund 1,4 Mio. € gefördert und Projektträger Jülich (PtJ) umgesetzt. In dem Verbundvorhaben arbeitet Hexagon als Lieferant von Wasserstoff-Druckbehältern zusammen mit dem Material- und Simulationsspezialisten MeFeX, der FEV als automobiler Ingenieursdienstleiter, dem Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, der Technische Hochschule Köln und dem ITA Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen University.

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