Ermüdungsmodell für Faserverbunde zur virtuellen Lebensdauerbewertung von Wasserstoffspeichern

Abstract

Aufgrund der begrenzten fossilen Ressourcen gewinnen in der Automobilindustrie alternative Kraftstoffe, wie z.B. Wasserstoff, zunehmend an Bedeutung. Neben der Hochdruckspeicherung ist die Speicherung von Wasserstoff als tiefkaltes Gas (33K) bei einem Druck von 350 bar eine Alternative um die notwendige Energie¬speicher-dichte zu erreichen. Drucktanks in Faserverbund-Hybridbauweise sind ein ge¬eig-net¬es Behälterkonzept für diese Kryo-Druckspeicherung. Durch die zeitliche Änderung der Temperatur und des Innendrucks aufgrund der wiederholten Betankung und Entnahme des Wasserstoffs im Betrieb werden die Druckbehälter zyklisch belastet. Dies erfordert einen sicheren Nachweis der Betriebsfestigkeit unter Berücksichtigung von Ermüdungseffekten. Zur Reduktion kostenintensiver Strukturversuche werden zunehmend simulationsbasierte Verfahren für die Auslegung und Optimierung eingesetzt. Aufgrund der Komplexität werden Ermüdungsphänomene in der aktuellen Auslegung zumeist nur vereinfacht oder gar nicht berücksichtigt. Es werden erfahrungsbasierte konservative Kriterien herangezogen, die die Beanspruchungen im Material auf ein Maß reduzieren, in dem die Ermüdungsfragestellung nicht relevant ist. Dadurch wird jedoch die Tragfähigkeit der Faserverbundstruktur nicht ausgenutzt und vorhandene Masse- und Kosteneinsparpotentiale werden nicht ausgeschöpft. Mit dem am DLR und am IAF entwickelten Ermüdungsmodell für Faserverbunde kann die Lebensdauerbewertung von Druckbehältern mit Faser¬verbundwicklung unter thermo-mechanischen Lasten mithilfe numerischer Analysen erfolgen. Das entwickelte Modell bietet die Möglichkeit für eine verbesserte virtuelle Auslegung und Optimierung von Wasserstoffspeichern und für eine höhere Aus¬nutzung der Tragfähigkeit der Faserverbundwicklung. Es bietet damit ein hohes Potential zur Kostenreduktion.