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Sicherheit von komprimiertem Wasserstoff

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Fachbericht | Wörter: 2165 | Aufrufe: 17540 | Druckbare Version

Wie gefährlich ist Hochdruck-Wasserstoff im Verkehr?

Bericht von Gerhard Wirsig, Juni 2003

Der Mai 2003 war kein Wonnemonat für Druckwasserstoff. Gleich drei Mal sorgte er international für Schlagzeilen. Der Schweizerische Feuerwehrverband warnte vor Explosionsrisiken bei Brennstoffzellen-Autos, bei Praxair brannte ein Tank-Lkw und Toyota rief seine kleine Brennstoffzellen-Flotte wegen eines Wasserstoff-Lecks ins Werk zurück.

Trümmerflug könne bei einer Explosion Unfallopfer und Einsatzkräfte gefährden, warnte der Schweizerische Feuerwehrverband (SFV) am 7. Mai 2003 bezüglich "alternativen Kraftstoffen wie Erdgas, Flüssiggas oder Brennstoffzellen". Noch am selben Tag, nach heftiger Kritik der Schweizer Erdgasindustrie, reduzierte man die Warnung "vor allem" auf Flüssiggas. Auf Anfrage räumte die Feuerwehr ein, für Brennstoffzellen habe sich die Warnung hauptsächlich auf theorethische Überlegungen gegründet. Man habe zur Vorbereitung auf den Ernstfall bereits einen Wasserstoff-Elektrolyseur angeschafft. Es handelt sich um ein Modell im Spielzeugformat von der Firma Minihydrogen.

Der Deutsche Wasserstoff-Verband (DWV) hält den Vorstoß des SFV für unqualifiziert. Eigentlich hätte man von dieser Seite etwas mehr Sachverstand erwartet, kommentiert DWV-Sprecher Ulrich Schmidtchen. Er sieht für Wasserstoff eher Sicherheitsvorteile. Wasserstoff-Druckbehälter könnten wegen ihrer Stabilität längst nicht so schnell Schaden nehmen wie etwa Benzintanks. Selbst wenn er entweiche, verflüchtige er sich wegen der geringen Dichte schnell nach oben. Sogar die Zündung einer freien Gaswolke führe in der Regel nicht zu einer Detonation, sondern zu einer Deflagration (Verpuffung) mit sehr viel geringeren Schäden. Auf seiner Website beschreibt der DWV den Effekt als einen "eher matten Wumms" mit vergleichsweise geringer Druckwelle.

Transportbehälter für Wasserstoff haben Sicherheitsventile, durch die im Brandfall das Gas entweichen kann, ohne dass die Behälter in Gefahr geraten, so der DWV-Sprecher. In den USA spielten dabei Schmelzsicherungen eine große Rolle, von denen man aber in Europa weniger halte. Die Feuerwehr pflege in einem solchen Fall den Behälter zu kühlen und zu warten, bis der Gasstrom nachlasse. Gewöhnlich blieben H2-Drucktanks auch bei schweren Unfällen intakt. Ein Schwachpunkt seien eher außen liegende Bedienungselemente, die daher in besonderen Kästen geschützt würden.

Nach Angaben verschiedener Fachleute ist eine Wasserstoffflamme nahezu unsichtbar, erzeugt nur eine geringe Wärmestrahlung und emittiert hauptsächlich im nahen UV-Bereich.

Von diesen Erkenntnissen abweichende Erfahrungen machten die Anwohner einer Praxair-Anlage in der Stadt Ontario nahe Los Angeles. Am 17. Mai 2003 vernahmen sie kurz vor 19 Uhr eine laute Explosion und sahen vom Firmengelände einen großen Feuerball aufsteigen. Sie alarmierten das Ontario Fire Department. Nach dem Untersuchungsbericht von Frank Huddleston vom Bombenkommando der Feuerwehr hatte ein Lkw-Anhänger mit 10 Druckwasserstoff-Flaschen beim Befüllen Gas abgeblasen. Es entwich aus einem etwa 1 Zoll starken, nach oben gerichteten Abblasrohr am vorderen Ende des Trailers durch Versagen einer Druckentlastungsscheibe. Huddleston geht mangels einer technischen Zündquelle von einer elektrostatischen Entladung des Wasserstoffs aus, der mit hoher Geschwindigkeit durch das Rohr strömte. Der Fülldruck wurde ihm von Praxair mit 140 bar angegeben. Die Stichflamme erreichte, begleitet von einem donnernden Lärm, zeitweilig eine Höhe von etwa 30 m und gab eine starke Wärmestrahlung ab. Der Tanktechniker brach die Befüllung sofort nach der Entzündung ab und versuchte die einzelnen Ventile der Zylinder zu schließen. Dies gelang ihm bei drei Ventilen, dann musste er wegen der Hitze flüchten. Nach Rücksprache mit Praxair beschloss man, das Feuer nicht zu löschen, da eine erneute Zündung des Wasserstoffstrahls befürchtet wurde. Die Tanks wurden stattdessen zwei Stunden lang mit Wasser gekühlt, um einer Explosion vorzubeugen. Die kleiner werdende Flamme wurde schließlich mit einem Trockenfeuerlöscher erstickt.

Insgesamt waren etwa 570 m3 Wasserstoff ausgeströmt. Der Feuerwehr war der Füllstand der Zylinder während des Vorfalls nicht genau bekannt. Dass die Flamme nicht wie zu erwarten unsichtbar brannte, sondern deutlich orange gefärbt, schreibt man der einbrechenden Dämmerung zu. Bei dem Vorfall gab es keine Verletzten und an den Druckzylindern, als auch am Abblasrohr wurde kein sichtbarer Schaden festgestellt. Vor mehreren Jahren ereignete sich bei Praxair in Ontario ein Vorfall, den die dortige Feuerwehr als identisch beschreibt, d.h. mit dem gleichen Zylindertyp und der gleichen Art von Druckablassscheibe. Sie fügt hinzu, dass am 17. Mai kein Notruf von Seiten Praxairs einging. Der Hersteller technischer Gase mit Hauptsitz in Danbury, Connecticut, war auf Anfrage zu keiner Stellungnahme bereit.

Nach abweichenden Angaben von Lokalmedien waren sogar rund 900 m3 Wasserstoff verbrannt. Die Gesamtladung soll 2.800 m3 betragen haben. Dies erklärt die Evakuierung der Zufahrtsstraße auf der Länge von einer Meile. Inhalt und Füllstand des benachbarten Kugeltanks wurden nicht erwähnt.

Weniger spektakulär verlief ein Wasserstoffbrand an der Universität Miami im Jahr 2001. Prof. Dr. Michael R. Swain führte eine vergleichende Leckagesimulation mit einem Wasserstoff- und einem Benzin-Pkw durch. Der Versuch wurde 3,5 Minuten per Video dokumentiert. Die Kraftstoffe wurden 3 Sekunden nach Versuchsbeginn entzündet. Das Benzinleck befand sich unter der Fahrzeugmitte. Nach 3,5 Minuten waren 2,4 l Benzin ausgelaufen und das Fahrzeug stand fast vollständig in Flammen. Das Brennstoffzellen-Fahrzeug blies innerhalb von 100 Sekunden 1,5 kg Wasserstoff aus dem Druckentlastungsventil am Heck ab. Die Stichflamme erhitzte das Heckfenster auf maximal 54 °C, auf der Hutablage wurden knapp 20 °C gemessen. Das Fahrzeug blieb unbeschädigt. Das Wasserstoffleck wurde nicht unter dem Fahrzeug plaziert, da die installierten H2-Sensoren den Tank sofort verschlossen hätten. Man hielt vielmehr ein Leck am Druckentlastungsventil für das schwerste anzunehmende Unfallszenario. Ausströmender Wasserstoff, der sich dort entzündet, hätte zur Folge, dass das temperaturgesteuerte Ventil sofort vollständig öffnet und den gesamten Tankinhalt freigibt. Mittels Spektralanalyse kam Swain der Färbung der Stichflamme auf die Spur. Sie wurde durch Natrium-haltige Staubpartikel in der Luft hervorgerufen. Da Miami an der Küste liegt, könnte es sich um Meersalz gehandelt haben.

Eine konkrete Beurteilung zu Druckentlastungsvorrichtungen (Pressure Relief Devices - PRD) gibt das kanadische Unternehmen Powertech Labs, Inc. nahe Vancouver ab. Powertech-Sprecher Craig Webster hält für Fahrzeug- und Transporttanks thermisch akitvierte PRD für die sichersten. Dafür kommen metallische Schmelzsicherungen oder Glasampullen mit einer Siedeflüssigkeit in Frage. Ein Brand sei die einzig mögliche Ursache, durch die im Tank ein Überdruck auftreten könne. Eine versehentliche Überfüllung sei nicht möglich, da Wasserstoff-Tankstellen mit Überdruckventilen ausgerüstet sind. Den Tank selbst gegen Überdruck zu sichern, etwa durch Berstscheiben, sei nicht sinnvoll, da diese bei einem halbvollen Tank zum Brandbeginn nicht sofort auslösen. Stationäre Tanks hingegen müssen sowohl gegen Feuer geschützt werden als auch gegen Überdruck bei unbeabsichtigtem Überfüllen durch den Kompressor.

Powertech leitet das Projekt Hydrogen 700, in dem 700 bar-Tanks mit zugehörigen Komponenten getestet, bewertet und standardisiert werden sollen. 700 bar ist die Zielmarke der Autobauer, mit der Brennstoffzellen-Fahrzeuge eine komfortable Reichweite erzielen können. Von der Automobilseite nehmen DaimlerChrysler, Ford, Hyundai, Nissan, PSA Peugeot-Citroen und Toyota teil. Getestet werden zunächst Drucktanks von Dynetek Industries, Kanada, Lincoln Composites und SCI - Structural Composites Industries, beide USA. Powertech stellte Mitte 2003 die Schnellbefüllung eines 700 bar-Tanks innerhalb von 40 Sekunden der Öffentlichkeit vor. Die Erhitzung des Tanks wurde als vertretbar bewertet. Die Wasserstoff-Tankstelle mit 875 bar Vorratsdruck ist seit November 2002 in Betrieb.



Glimpflich verlief die Betankung eines von Toyota an das Japanische Umweltministerium verleasten Highlander FCHV (Fuel Cell Hybrid Vehicle) am 15. Mai 2003, bei dem ein Wasserstoffleck auftrat. Das Fahrzeug ist mit vier Tanks für 350 bar Betriebsdruck ausgerüstet. Laut Medienberichten gab es zunächst ein merkwürdiges Geräusch, bevor die Wasserstoff-Sensoren ansprachen und die Tanks verschlossen wurden. Toyota gab sich zunächst wortkarg. Der Tank stamme von einem ausländischen Hersteller, dessen Namen man nicht nennen wolle. Quantum Technologies, Inc. hatte sich jedoch schon im März als Lieferant für das Leasingprogramm von Toyota geoutet. Später gab Toyota bekannt, dass das Leck tankseitig am Einfüllstutzen aufgetreten sei. Alle sechs in Japan und Kalifornien verleasten FCHV wurden ins Werk zurückgerufen und mit Unterstützung von Quantum-Technikern untersucht. Die Auslieferung von sechs weiteren Fahrzeugen, erst zwei Tage vor dem Leck angekündigt, wurde verschoben. Mitte Juni verkündete ein Toyota-Sprecher, dass das Problem erkannt und ein einziges Bauteil ausgetauscht wurde. Die Auslieferung des Fahrzeuge erfolge in Kürze. Die weitgehende Informationssperre zeigt, dass Pannen bei der noch jungen Technologie als höchst sensibel eingestuft werden.

Für die leichten Verbundstofftanks, auch Composite-Tanks genannt, zeichnen sich derzeit zwei Konstruktionstrends ab. Ihr gemeinsamer Nenner ist die Wicklung des Tankkörpers aus harzgetränkten, hochfesten Fasern. Dynetek mit dem Produkt Dynecell und SCI tragen die Wicklung auf einen Aluminium-Inliner auf. Quantum und Lincoln Composites setzen mit TriShield und Tuffshell auf eine gänzlich metallfreie Konstruktion, um weiter Gewicht zu sparen.


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