Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMDurch die niedrige volumenspezifische Energiedichte des Wasser-stoffs müssen Lagerung und Transport entweder bei hohem Druck oder im flüssigen Zustand bei kryogener Temperatur erfol-gen. Dies erfordert hochfeste, auch im tiefkalten Bereich sicher verwendbare Werkstoffe. Zum Einsatz kommen in vielen Fällen Behälter mit gewickelter, drucktragender CFK-Ummantelung (Carbonfaser verstärkter Kunststoff, CFK). Hersteller und Betreiber sind auf die Verfügbarkeit validierter, auf die Besonderheiten der Materialien und Betriebstemperaturen abgestimmter Bewertungskonzepte angewiesen. Am Fraunhofer IWM werden dazu spezifische Bewertungskriterien und Materialmodelle entwickelt, implementiert und fortwährend angepasst, um den Entwicklern geeignete Berechnungswerkzeuge an die Hand zu geben.
Fortgeschrittene Methoden zur Qualifizierung von CFK-Wasserstofftanks
Bewertungskriterien und -tools für kryogene Flüssig-Wasserstofftanks
Bei der tiefkalten Wasserstoffspeicherung im flüssigen oder gasförmigen Zustand steht den Vorteilen der prinzipiell guten Tieftemperatureigenschaften von CFK mit guter Festigkeit und Zähigkeit das Problem der starken Verspannung von Kohlenstofffasern mit nahezu verschwindender Thermaldehnung in Längsrichtung und polymerer Matrix gegenüber. Die thermische Verspannung auf der Mikrostrukturebene kann allein bereits zum Auftreten erster Schäden führen. Sie muss bei der Integritätsbewertung berücksichtigt werden. Hierzu wurden am Fraunhofer IWM in Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) FVK-Festigkeitskriterien (faserverstärkter Kunststoff, FVK) für die Anwendung im kryogenen Bereich qualifiziert und angepasst, sowie eine Routine zum Postprocessing von Finite-Ele-mente-Berechnungen entwickelt und implementiert. Diese wird durch ein Tool zur optimierten Bestimmung der Materialparameter aus Messergebnissen mit einem maximum-likelihood-Ansatz komplementiert.
Schädigungsmodelle zur Bewertung von Wasserstoff-Hochdrucktanks
Zur Bewertung der Integrität von Hochdrucktanks bei 700 bar oder darüber sind hochgenaue Festigkeitskriterien und Materialmodelle erforderlich, die das vollständige oder auch teilweise Materialversagen in numerischen Simulationen des Einsatzverhaltens präzise vorhersagen. Zu diesem Zweck wurden am Fraunhofer IWM verschiedene Schädigungsmaterialmodelle entwickelt und in kommerzielle Finite-Elemente-Programme implementiert. Diese erlauben eine rechnerische Vorhersage der Degradation des Materials durch Schädigung bis zum vollständigen Versagen. Sie sind sowohl unter statischer als auch unter zyklischer (Ermüdungs-)Belastung beispielsweise durch Betankungs- und Entleerungszyklen anwendbar.
Einfluss fertigungsbedingter Ungänzen
Wie bei allen anderen Arten von Verbundwerkstoffen treten auch in gewickelten CFK-Behältern unvermeidbare fertigungsbedingte Ungänzen auf. Diese sind charakteristisch für das jeweilige Fertigungsverfahren. Hier handelt es sich vor allem um Schlauchporen und Faserwinkelabweichungen. Ihr Auftreten wird in herkömmlichen Ansätzen durch geeignet hohe Sicherheitsbeiwerte berücksichtigt. Dies kann jedoch zu überkonservativen Auslegungen führen. Am Fraunhofer IWM werden daher seit vielen Jahren probabilistische Berechnungsverfahren entwickelt und angewendet, die das Auftreten solcher statistisch im Material verteilter inhärent unvermeidbarer Mikrodefekte berücksichtigt.
Diese Verfahren ermöglichen in einer stochastischen Finite-Ele-mente-Analyse eine direkte Berechnung der Ausfallwahrscheinlichkeit des Behälters unter statischer oder zyklischer Innendruckbelastung. Dabei werden die verschiedenen Fehlerarten und ihre statistischen Verteilungen aus Mikrostrukturanalysen des Materials direkt in die Rechnung mit einbezogen. Das Ergebnis ist eine präzise Festigkeitsaussage unter Berücksichtigung der inhärenten Defekte.
Mit den beschriebenen Methoden ist eine umfassende Integritätsbewertung gewickelter CFK-Wasserstofftanks am Fraunhofer IWM möglich. Diese kann durch die experimentelle Bestimmung der jeweils benötigten Materialparameter auch unter Medieneinfluss und bei Berücksichtigung von Alterung durch Temperatur, Feuchte und UV-Bestrahlung komplementiert werden. Die Berechnungstools stehen auch als Software zur Verfügung.