Gastbeitrag von Dimitrios Kazaklis & Josef Kogler : Worauf es bei der Prüfung von CFK-Behältern ankommt

Was spricht eigentlich für die Verwendung von CFK-Druckbehältern? Sogenannte carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK) sind eine Werkstoffgruppe, die unter vielen üblichen Handelsnamen bzw. Produktmarkennamen auch synonym bzw. in der Fachsprache als Carbon, Composite, Kohlenstofffaser oder Fiberglas bezeichnet werden. Es gibt eine Reihe von Argumenten, die das Verwenden dieser Behälter bei der Lagerung und beim Transport von Wasserstoff oder anderen Gasen nahelegen. Ein Punkt ist das geringe Gewicht – dazu zählen vor allem Behälter des Typs IV. Weil hier mehr Kohlefaser und sogar Kunststoff verwendet wird, reduziert sich das Gewicht im Vergleich zu den anderen Behältertypen signifikant. Beim Transport wird durch das geringere Gewicht auch der Schadstoffausstoß und der Treibstoffverbrauch vermindert.

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Außerdem halten die sogenannten Typ IV-Behälter durch ihre hervorragende Stabilität höhere Drücke aus. Bis zu 700 bar Innendruck stellen kein Problem bei der Nutzung der Behälter dar. Bei Gebäuden – egal ob Neu- oder Bestandsbauten – verringern sich damit auch die Anforderungen an die Gebäudestatik. Neben den hohen Sicherheitsstandards punkten CFK-Behälter außerdem mit ihrer langen Haltbarkeit von 20 Jahren oder mehr. Zusammengenommen sind das für Unternehmen entscheidende Argumente, die eine Investition in CFK-Behälter attraktiv machen.

Druckbehälter für Wasserstoff oder andere Gase werden in verschiedene Typen eingeteilt. Aktuell gibt es 4 verschiedene Modelle. Typ I-Behälter sind reine Stahlflaschen, die gegenüber den Folgetypen vor allem in puncto Gewicht und Flexibilität das Nachsehen haben. Bereits bei Typ II-Behältern ist der innenliegende Stahltank außen mit Kohlefaser verstärkt. Der Typ III-Behälter weist eine noch höhere Menge an Kohlefaser auf und hat zudem einen innenliegenden Stahl- oder Aluminiumbehälter und ist zurzeit noch der Standard für die sogenannte „Mobilität“. Durch die größere Menge an verwendeten Kohlefasern ist der Behälter geeignet für höhere Drücke. Der Typ IV-Behälter ist aktuell der leichteste und belastbarste Behältertyp. Der Liner, der bei Typ III noch aus Aluminium oder Stahl besteht, ist bei Typ IV aus Kunststoff (z. B. aus Polyamid bzw. Polyethylen). Damit wird zusätzlich Gewicht eingespart. Ein weiterer Typ ist noch in der Entwicklungsphase. Er soll fast komplett aus Kohlefasern bestehen.

Ein sicherer Betrieb von CFK-Behältern birgt allerdings auch Herausforderungen, die im Bewusstsein der Betreiber verankert sein müssen. Der Kohlefaserumhüllung des Typs IV wird bei der Herstellung ein diffusionsbeständiger Kunststoffliner hinzugefügt. Damit soll verhindert werden, dass die Speichermedien nach außen gelangen. Unter bestimmten Bedingungen kann der Liner aber ermüden oder beschädigt werden. Dazu gehören Tankvorgänge, Vibrationen, Erschütterungen und zu schnelle Temperatur- oder Druckwechsel. Wenn dann bspw. Wasserstoff nach außen gelangt, ist unter Umständen die Sicherheit von Mitarbeitenden und der Umwelt gefährdet. Denn: Wasserstoff bildet zusammen mit Sauerstoff leicht entzündliche und hochexplosive Gemische.

Auch Korrosion spielt beim Betrieb von CFK-Behältern eine Rolle. Zwar ist CFK selbst nicht anfällig für Korrosion. Wohl aber können im Gesamtsystem Verbundmaterialien vorkommen, die aus Metall bestehen. Dann muss sowohl von Hersteller- als auch von Betreiberseite sichergestellt sein, dass die betreffenden Komponenten gegenüber Wasserstoff oder anderen Gasen beständig sind. TÜV SÜD-Experten empfehlen, Risikobewertungen auf Basis der gültigen gesetzlichen Vorgaben vornehmen zu lassen.

Ursachen für Korrosion sind vielfältig. Dazu gehören chemische Einwirkungen durch aggressive Substanzen wie Säuren oder Laugen und mikrobielle Einflüsse, bei denen sich Bakterien oder Algen auf der Werkstoffoberfläche ansiedeln. Außerdem sind an dieser Stelle auch elektrochemische Reaktionen, mechanische Beschädigungen oder klimatische Einflüsse wie hohe Luftfeuchtigkeit oder extreme Temperaturen zu nennen.

Damit die Lagerung in CFK-Druckbehältern nicht zur Gefahr wird, müssen sie gemäß der DGRL 2014/68/EU zugelassen werden. So legen Hersteller im Rahmen einer Sicherheitsbewertung geeignete Grenzwerte für Betriebstemperaturen (TS), Maximaldrücke (PS), Lastwechsel und Drucksteigerungsraten fest. Ziel ist es, dass die Behälter innerhalb der vorher festgelegten Grenzwerte im Betrieb jederzeit ihre Integrität bewahren. Auch für CFK-Behälter, die sich bereits im Betrieb befinden, können die Experten Schwachstellen oder potenzielle Fehlstellen bspw. im Kunststoffliner detektieren, die mit bloßem Auge nicht erkennbar sind.

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Prüfexperten wissen genau, welche rechtlichen Standards in welcher Region und in welchem Wirtschaftsraum einzuhalten sind. Mit dieser Unterstützung gehen Hersteller sicher, dass ihre Produkte die jeweiligen rechtlichen Vorgaben erfüllen. Für einen weltweit führenden Hersteller von stationären und mobilen CFK-Druckbehältern des Typs IV hat TÜV SÜD ein spezielles Prüfprogramm entwickelt. Dabei unterziehen Experten die Behälter bspw. zerstörenden Prüfverfahren wie Lastwechsel-, Berst- oder Brandversuchsreihen. Der Hersteller betreibt dafür eine eigene ausgelagerte Testanlage. Mit der Unterstützung der TÜV SÜD-Experten entstehen so maßgeschneiderte Test- und Inspektionspläne, die sichere Produkte und eine gleichbleibende hohe Qualität gewährleisten.

Die vielen Vorteile, die CFK-Druckbehälter bieten, kommen erst richtig zum Tragen, wenn vorherige Prüfungen und Sicherheitsbetrachtungen gemäß der DGRL stattgefunden haben. Dazu gehört, dass bei der Hochdruckspeicherung das Gesamtsystem mit allen Verbundmaterialien betrachtet wird. Erfahrene Prüfdienstleister kennen sich sowohl mit den jeweiligen Werkstoffen, Versuchen zu Brand- und Explosionsschutz und auch den rechtlichen Rahmenbedingungen im betreffenden Wirtschaftsraum aus. Hersteller und Betreiber sind deshalb gut beraten, wenn sie sich professionelle Unterstützung an die Seite stellen.