Водород

Aenert. Research Laboratory news
Водород считается одним из столпов неизбежного энергетического перехода. Однако этот газ создает ряд проблем, связанных с его безопасной транспортировкой, поскольку он очень взрывоопасен и поэтому его необходимо транспортировать в цистернах под высоким давлением. Эти резервуары имеют давление 700 бар и изготовлены из армированных волокном композитов (FRC). По сравнению с металлическими танками они идеально подходят для использования в сфере мобильности и транспорта благодаря своей малой массе.
Для обеспечения максимальной безопасности баллоны под давлением H₂проходят тщательные испытания перед первым использованием. Также важно, чтобы баки сохраняли свою целостность при повторяющихся нагрузках, вызванных дозаправкой и забором водорода, или в случае повреждения (например, при наезде сзади). Чтобы этого не произошло, первостепенное значение также имеет регулярное техническое обслуживание систем хранения высокого давления. Однако проверка резервуаров, проводимая каждые два года, состоит лишь из внешнего визуального осмотра. Повреждения внутри резервуара с помощью этого обычного метода проверки обнаружить невозможно. В качестве альтернативы, повреждение можно предотвратить, постоянно контролируя сосуд под давлением — процесс, известный как мониторинг состояния конструкции или сокращенно SHM.

Сейчас ( 2023 г. ) в ходе совместного исследовательского проекта HyMon исследователи из Института структурной долговечности и надежности систем Фраунгофера (LBF) разрабатывают бортовую систему мониторинга конструкций на основе датчиков, обеспечивающую непрерывное наблюдение за резервуарами под давлением H₂, которые направлена ​​на обеспечение высокого уровня безопасности водородных транспортных средств.

Одной из основных целей этой бортовой системы мониторинга конструкций, оснащенной соответствующими датчиками и электроникой оценки, является предоставление данных для обслуживания и ремонта. Здесь решающую роль играют датчики акустической эмиссии. Принцип работы основан на датчиках, обнаруживающих высокочастотные звуковые волны. Если одно углеродное волокно рвется в резервуаре под давлением, генерируется звуковая волна, которая проходит через волокна. Затем датчики определяют количество разорванных волокон. Особые случаи нагрузки, такие как удары сзади, могут повредить отдельные участки резервуаров, вызывая разрыв большого количества волокон за очень короткий промежуток времени. Сигналы измерения обрабатываются оценочной электроникой для предоставления информации о состоянии резервуара. Необходимые алгоритмы и методы обнаружения разрывов волокон разрабатываются в Fraunhofer LBF. К ним относятся, например, частотный анализ звуковых волн.

Помимо датчиков акустической эмиссии, в резервуары также встроены оптоволоконные тензодатчики. Они состоят из светопроводящих стеклянных волокон со встроенными в них волоконными датчиками Брэгга. Стекловолокна покрывают слоем FRC резервуара во время производства или впоследствии наносят на поверхность, чтобы обеспечить непрерывный или периодический автоматический мониторинг напряжений в резервуаре с водородом. В отличие от обычных тензодатчиков, эти стекловолокна особенно подходят для мониторинга пластмасс, армированных углеродным волокном, благодаря их устойчивости к высоким деформациям материала и циклам нагрузки. Данные измерений тензодатчиков используются, во-первых, для проверки расчетных моделей резервуаров под давлением, а во-вторых, для получения информации о том, как меняется поведение материала в течение срока службы резервуара, чтобы сделать выводы об усталостном состоянии материала.

Первый этап процесса испытаний будет включать в себя создание различных типов повреждений, таких как разрывы волокон, разрывы матрицы или расслоения, на испытательном стенде Fraunhofer LBF с помощью плоского образца из углеродного волокна, оснащенного датчиками. Сигналы о повреждении будут фиксироваться датчиками. Далее датчики будут оценены на предмет того, способны ли они регистрировать сигналы в достаточном качестве и смогут ли алгоритмы правильно классифицировать механизмы повреждения на основе сигналов. На следующем этапе вся сенсорная система будет протестирована внутри тонкостенных моделей резервуаров, а затем на резервуарах с водородом высокого давления, которые подвергаются циклическим нагрузкам под внутренним давлением до тех пор, пока не произойдет выход из строя. Исследовательские группы хотят выяснить, сколько датчиков необходимо для мониторинга конструкции, где их нужно расположить и какие клеи наиболее подходят для их крепления к водородному баку. В конечном итоге испытательный автомобиль будет оснащен датчиками и встроенными средствами мониторинга конструкции и проверен путем объединения виртуального столкновения с реальной испытательной установкой.

Ввиду нынешнего энергетического кризиса эффективное хранение энергии стало главным приоритетом многих отраслей. В 2020 годуученые создали модель и провели анализ сосудов для хранения водорода вместе с полным структурным и термическим анализом. В этом исследовании они завершили базовый структурный проект бортового криогенного резервуара с жидким водородом. Проблема чрезмерной утечки тепла традиционной опорной конструкции была решена путем создания новой изолирующей опорной конструкции. Затем они оценили тепловые характеристики спроектированного резервуара. Структура резервуара была проанализирована с помощью сочетания теории пленочного контейнера и метода численного моделирования методом конечных элементов. Структура адиабатической опоры анализировалась с использованием контактной теории Герца и метода численного моделирования. Был создан простой метод анализа конструкции для проектирования аналогичной конструкции контейнера и опорной конструкции точечного контакта. Также будут предоставлены основы для дальнейшей оптимизации конструкции резервуара для водорода. Анализ проводился с использованием таких материалов, как титан, никелевый сплав и некоторые порошки с покрытиями, такие как оксид алюминия, титан и оксид циркония.
Image: (from left to right) Titanium, nickel, zirconium



Source: Siddharth Senthil Kumar, Bibin Chidambaranathan, Ramachandran Manickam/ Design and Analysis of Hydrogen Storage Tank with Different Materials by Ansys/ IOP Conference Series Materials Science and Engineering 810(1):012016, May 2020/ DOI:10.1088/1757-899X/810/1/012016/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the CC BY 3.0 Deed Attribution 3.0 Unported

В 2020 году поведение сжатого газообразного водорода в резервуаре с водородом анализировался на предмет его сброса. Эффекты газовых моделей были изучены для объяснения поведения газообразного водорода при температуре и давлении нагнетания. Эффекты модели турбулентности были проанализированы для оценки точности каждой модели и сравнены с точки зрения интенсивности турбулентности. В результате исследования эффекта газовой модели было обнаружено, что уравнение Редлиха-Квонга (эмпирическое алгебраическое уравнение, связывающее температуру, давление и объем газов) является одной из реалистичных газовых моделей выходящего газового потока. В этой области модель переноса сдвигового напряжения и модель напряжения Рейнольдса могут более точно анализировать поведение сжатого газа, показывая более низкую интенсивность турбулентности, чем модели реализуемой группы и модели перенормировочной группы.

Image: The cross-section of a 74-L Type III hydrogen tank



Source: Moo-Sun Kim, Joon-Hyoung Ryu, Seung-Jun Oh, Jeong-Hyeon Yang/ Numerical Investigation on Influence of Gas and Turbulence Model for Type III Hydrogen Tank under Discharge Condition/ Energies 13(23):6432, December 2020/ DOI:10.3390/en13236432/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Использование датчиков на резервуаре имеет несколько преимуществ: они могут улавливать высокочастотные звуковые волны при разрыве волокна, что позволяет алгоритмам обнаруживать обрывы волокон и подсчитывать их. Срок службы резервуара с водородом подходит к концу, если скорость разрыва волокон внезапно возрастает. Кроме того, постоянный бортовой структурный мониторинг обеспечивает повышенный уровень безопасности водородных транспортных средств, поскольку потенциальный ущерб можно оценить даже в случае незначительных ударов, таких как удар о столбик, и оценить остаточный срок службы бака. Более того, комплексная гарантия качества позволяет избежать ненужной замены резервуаров с водородом.

Целью партнеров по проекту является превращение всей системы в стандартную систему мониторинга состояния для будущих приложений. Исследовательская группа уверена, что их система внесет ценный вклад в устойчивую водородную экономику.

Редакционный совет