Безопасни резервоари за превозни средства с водород.
Водородът е маяк на надежда за успешния преход на секторите на енергията и мобилността. Въпреки това, газът също е силно експлозивен и са необходими строги предпазни мерки, за да се използва безопасно водородът. Най-новите превозни средства с горивни клетки превозват водород в газообразна форма в резервоари под налягане. Тези основни елементи на задвижващата система H2 трябва да останат безопасни дори при максимални работни натоварвания.
За да се предотврати възникването на опасни ситуации, редовната поддръжка на системите за съхранение под високо налягане е задължителна. Въпреки това проверката на резервоара, която понастоящем се изисква на всеки две години, се състои само от външна визуална проверка. Повреда в резервоара не може да бъде открита с помощта на този конвенционален метод за проверка.
В съвместния изследователски проект HyMon, изследователи от Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability LBF работят с партньори за разработване на базирана на сензори бордова система за структурно наблюдение, която ще позволи непрекъснато наблюдение на резервоарите под налягане H2, като по този начин гарантира високо ниво на безопасност за превозни средства с водород.
Понастоящем водородът се съхранява в газообразна форма под високо налягане до 700 бара в резервоари, изработени от подсилени с влакна композити (FRC). В сравнение с металните резервоари, те са идеални за използване в сектора на мобилността и транспорта поради малката си маса. От съображения за безопасност резервоарите под налягане H2 са подложени на обширни тестове, преди да бъдат използвани за първи път, за да се гарантира безопасна работа през целия им експлоатационен живот.
Трябва също така да се гарантира, че резервоарът ще запази целостта си в случай на повтарящи се напрежения, причинени от зареждане с гориво и изтегляне на водород или в случай на повреда (напр. сблъсък отзад). Визуалните инспекции, определени понастоящем за проверка за външни повреди на резервоара, не могат да направят това. Като алтернатива повредата може да бъде открита чрез непрекъснато наблюдение на съда под налягане — процес, известен като структурно здравословно наблюдение или накратко SHM.
Като част от проекта HyMon (виж карето), изследователи от Fraunhofer LBF в Дармщат разработват специална интелигентна система за непрекъснат мониторинг на състоянието на резервоарите за водород в тясно сътрудничество с партньори. Една от целите на тази бордова структурна система за мониторинг, състояща се от подходящи сензори и електроника за оценка, е да предоставя данни за обслужване и ремонт.
Йоханес Кесген, учен от Fraunhofer LBF каза:
Например, нашата технология предоставя на инспекторите от Германските асоциации за технически контрол (TÜV) обективна информация за напрежението върху резервоара след инцидент, което им позволява да решат обективно дали той може да бъде използван повторно или трябва да бъде заменен.
Друга функция е да помогне за намаляване на разходите за поддръжка и да гарантира, че резервоарите се използват безопасно през целия им експлоатационен живот.
Сензорите за акустична емисия и напрежение откриват повреда в резервоара
Изследователската работа се фокусира върху сензори за акустични емисии. Ако едно въглеродно влакно се разкъса в резервоара под налягане, се генерира звукова вълна, която преминава през влакната. Сензорите засичат тази високочестотна звукова вълна, което им позволява да определят броя на счупените влакна.
„Случаите на специално натоварване, като сблъсъци отзад, могат да повредят локалните части на резервоарите, причинявайки скъсване на много влакна за много кратко време“, обяснява Кесген. „Сигналите за измерване се обработват от електроника за оценка, за да предоставят информация за здравословното състояние на резервоара.“ Необходимите алгоритми и методи за откриване на скъсвания на влакна се разработват във Fraunhofer LBF. Те включват например честотни анализи на звуковите вълни.
„Сензорите на резервоара улавят високочестотните звукови вълни, когато влакно се счупи, а алгоритмите откриват счупените влакна, които след това се броят. Ако скоростта на счупване на влакната внезапно се увеличи, това е индикация, че резервоарът за водород е в края на полезния си живот“, казва изследователят, обобщавайки процеса.
Непрекъснатият структурен мониторинг на борда гарантира повишено ниво на безопасност за превозните средства с водород, тъй като потенциалните щети могат да бъдат оценени дори в случай на незначителни удари, като например удар в стълб, и може да бъде оценен оставащият експлоатационен живот на резервоара. Нещо повече, този цялостен подход за осигуряване на качеството означава, че ненужната подмяна на резервоарите за водород може да бъде избегната.
В допълнение към сензорите за акустични емисии в резервоарите са интегрирани и оптични сензори за напрежение. Те се състоят от светлопроводими стъклени влакна, в които са интегрирани сензори с брагова решетка. Стъклените влакна се обвиват в FRC слоя на резервоара по време на производството или се нанасят върху повърхността след това, за да се даде възможност за непрекъснато или периодично автоматизирано наблюдение на напрежението в резервоара за водород.
За разлика от конвенционалните сензори за деформация, тези стъклени влакна са особено подходящи за наблюдение на пластмаси, подсилени с въглеродни влакна, поради тяхната устойчивост на големи деформации на материала и цикли на натоварване. Данните от измерванията от сензорите за напрежение се използват първо за проверка на изчислителните модели на резервоарите под налягане и второ, за да се получи представа за това как се променя поведението на материала през целия експлоатационен живот на резервоара, за да се направят заключения относно състоянието на умора на материала.
Цялостната система е подложена на тест в тестовия автомобил
Първият етап от процеса на тестване е да се произведат различни видове повреди, като счупване на влакна, счупване на матрица или разслояване в тестовия стенд във Fraunhofer LBF, като се използва оборудван със сензор плосък образец от въглеродни влакна. Сигналите за повреда се записват със сензорите.
След това се прави оценка дали сензорите са способни да записват сигналите с достатъчно качество и дали алгоритмите могат да класифицират правилно механизмите за повреда въз основа на сигналите. В следващата стъпка цялата сензорна система се тества върху модели на резервоари с тънки стени и след това върху резервоари за водород под високо налягане, които са подложени на циклични напрежения под вътрешно налягане, докато настъпи повреда.
Изследователските екипи проучват колко сензора са необходими за структурно наблюдение, къде трябва да бъдат позиционирани и кои лепила са най-подходящи за закрепването им към резервоара за водород. И накрая, тестово превозно средство е оборудвано със сензори и вградено структурно наблюдение и валидирано чрез комбиниране на виртуална катастрофа с тестова настройка в реалния живот. Целта на партньорите по проекта е да развият цялата система в стандартна система за наблюдение на състоянието за в бъдеще.
