Lagring af brint i avancerede højtryksbeholdere

Transkript

1 Lagring af brint i avancerede højtryksbeholdere Slutrapport for PSO-Projekt Projektleder: Teknologisk Institut Projektdeltagere: Forskningscenter Risø Energinet.dk Roug A/S Dato: 7. april 006 Projekt nr.: 5776 Antal sider: 41 Initialer: JEC Filnavn: Brintrapport PSO5776.doc Jens Christiansen Telefon: Telefax: jens.christiansen@teknologisk.dk

2 Indhold Indhold...i Resume...ii Indledning... 1 Projektets indhold Anvendelse af brintlagre Undersøgelse af lagringsbehov i forbindelse med anvendelser (Forskningscenter Risø) Indpasningen af brintteknologi i energisystemet (Energinet.dk) Beholdere Kravspecifikation (Forskningscenter Risø) Beholderdesign og fremstillingsmetoder (Teknologisk Institut) Måling af brintdiffusion i beholdere og linere (Teknologisk Institut og Forskningscenter Risø) Linerteknologi (Forskningscenter Risø) Vikleteknologi (Forskningscenter Risø) Identifikation og specifikation af supplerende kompetencer og udstyr Undersøgelse af eksisterende standarder inden for tryktanke (Teknologisk Institut) Vurdering af muligheder/rammer for etablering af dansk produktion af tryktanke (Roug A/S) Konklusion Appendiks... 4 Forfattere Aage Lystrup, Forskningscenter Risø Finn Hartmann, Roug A/S Hans Lilholt, Forskningscenter Risø Janet Jonna Bentzen, Forskningscenter Risø Jens Christiansen, Teknologisk Institut Jens Pedersen, Energinet.dk Jesper Bøgelund, Teknologisk Institut Torben Martens Knudsen, Teknologisk Institut i

3 Resume Formålet med projektet har været at undersøge barriererne for en produktion af avancerede højtryksbeholdere, der er specielt egnet til lagring af brint, så der i Danmark kan dannes grobund for en beholderproduktion. I projektet er der primært fokuseret på fremtidige danske brintlagringsbehov i MWh-området. En af opgaverne har været at belyse de kravspecifikationer til trykbeholdere, der kan forventes i forbindelse med disse lagre. Seks sådanne potentielle lagringsbehov er blevet identificeret: Buffer i forbindelse med opstart/regulering på el-nettet Brint- og ilt-produktion - Hvide Sande projektet Bufferlager i forbindelse med VEnzin vision Lagertanke på hydrogentankstationer Brint til transportsektoren fra 1 TWh overskuds-el Tankvognstransport af brint Kravene til trykbeholdere til disse anvendelser er blevet belyst. Sammenhængen mellem lagret energimængde, tryk og rumfang for brint sammenlignet med flydende brint og olie er angivet i tabelform. Som udgangspunkt for fremstillingsteknologiske overvejelser og økonomiske beregninger af forskellige beholderkoncepter er der udarbejdet overslag over laminattykkelserne i glasfiberforstærkede beholdere med forskellige diametre og designtryk, for henholdsvis en ren fiberkompositbeholder og en metal/fiberkomposit-beholder. Udnyttelse af el-energi fra vindkraft til transport med brint som energibærer kan ske via elektrolyse og komprimering til et brintlager. Det mindste brintlagerbehov i relation til forbruget er ca. en uges forbrug. Med større brintlager øges fleksibiliteten til at producere brinten, når elprisen er lavest. Hvis halvdelen af den fremtidige bil- og lastbiltransport vil ske med brint, kræver det et årligt energiforbrug på ca. TWh. Det mindste brintlager for at dække dette forbrug er ca. 400 GWh. Udnyttelse af brint til systemreserver kan ske til primærreserve, automatisk reguleringsreserve og manuel reguleringsreserve. Reserverne udnyttes i den nævnte rækkefølge. Den samlede primærreserve i Vestdanmark er p.t. 3,1 MW og vil kræve et brintlager på 1,44 MWh/MW. Behovet for automatisk reguleringsreserve i Vestdanmark er p.t. ±140 MW. Det tilhørende brintlagerbehov er 7 MWh/MW. Behovet for manuelle reguleringsreserver er p.t. ca. 600 MW til opregulering og 140 MW til nedregulering. Det tilhørende brintlagerbehov er som ved den automatiske reguleringsreserve - 7 MWh/MW. Systemtjenesterne sendes i udbud. Internationale standardiseringsmetoder til beregning og dimensionering af tryktanke, der påtænkes fremstillet af fiberforstærket hærdeplast med linere af enten metal eller termoplast, er blevet behandlet. Endvidere er der angivet metoder til eftervisning af tryktankes mekaniske styrke og samvirke med linere, samt hvilken dokumentation, der skal foreligge som grundlag for godkendelse. Det fremgår umiddelbart, at omfanget af beregninger, dokumentation af materialers egenskaber samt dokumentation af trykbeholderes egenskaber og af den samlede fremstillingsproces er ganske betydeligt. Hertil kommer, at det industrielle erfaringsgrundlag er begrænset, der skal således gennemføres en teknologisk opgradering og ikke ubetydelig investering i faciliteter. Dette gælder specielt for tanke, hvor der anvendes kompositmaterialer, hvorimod tryktanke, som fremstilles enten af stål eller metal, ikke er medtaget i rapporten, fordi der foreligger erfaringer og metoderne er kendte. ii

4 En opstilling til måling af permeation af brint gennem polymermaterialer er udviklet. Opgaven bestod i overvejelser omkring sikkerhed ved arbejde med brint under tryk, samt overvejelser omkring hvilke detektorer, der kunne anvendes. En forudsætning for anvendelsen af opstillingen var, at der kunne skaffes kommercielle detektorer, som kunne tilsluttes opstillingen. Mht. sikkerheden omkring opstillingen kræves blot god håndværksmæssig praksis af udstyr, der håndterer gasvoluminer under 1 liter. Endvidere er en måleopstillingen designet og opbygget. I denne forbindelse er en ny type detektor for brint blevet udviklet. Detektorens brugbarhed er afprøvet. Endelig er der udviklet software til dataopsamling og styring af opstillingen. Der er foretaget præliminære målinger af brintpermeabilitet for to polyethylen materialer. Målingerne viser, at de målte værdier ligger i den forventede størrelsesorden. Små (0,4 l) fiberforstærkede trykbeholdere med polymerliner og metalliseret polymerliner er testet. Beholdernes tæthed over for brint er målt ved 10 MPa og 5 C ved at registrere vægttabet over en periode på 6 år. Brinttabet for beholdere med rene polymerlinere er i de første 3 år tæt på at være lineært med et gennemsnitligt tab på 0,055 g per måned, svarende til ca. 1,8 % per måned. Brinttabet for beholdere med metalliserede linere er tæt på at være lineært i hele måleperioden på 6 år. For de beholdere med vakuumpådampet Cu + Ag er det gennemsnitlige tab på 0,08 g per måned, svarende til ca. 0,9 % per måned, og for beholderen med plasmasprøjtet Cu er det gennemsnitlige tab på 0,017 g per måned, svarende til ca. 0,6 % per måned. Dvs. beholdere med metalliseret liner er mellem -3 gange så tætte som beholdere med ren polymerliner. En af opgaverne i projektet er, at belyse den linerteknologi, der benyttes i forbindelse med fiberforstærkede trykbeholdere til høje tryk. Dette arbejde belyser de grundlæggende principper og problemstillinger ved anvendelsen af en indvendig liner og samspillet mellem lineren og fiberkompositten. Lineren har flere funktioner: Skabe tæthed over for mediet, bidrage til styrken af beholderen og virke som dorn for vikling af de styrkebærende fibre. Fiberforstærkede trykbeholdere med liner er opdelt, efter om lineren er tynd og ikke-styrkebærende, eller om lineren er tyk og dermed bidrager væsentligt til beholdernes styrke, og de behandles designmæssigt meget forskelligt. Det afspejles også i standarderne for trykbeholdere til naturgas og brint til biler, hvor der yderligere skelnes mellem følgende typer: Type 1: Metalbeholder (uden fiberkompositter) Type : Fiberkompositbeholder med metalliner og kun omkredsviklinger Type 3: Fiberkompositbeholder med metalliner med fulddækkende viklinger Type4: Fiberkompositbeholder med ikke-metallisk liner med fulddækkende viklinger Det operationelle trykområde for en beholder med metalliner kan øges, hvis metallineren forspændes, således at spændingerne i metallineren varierer mellem trykspændinger og trækspændinger, når beholderen er henholdsvis aflastet (tom) og belastet (fyldt). Lineren kan forspændes ved at tryksætte beholderen ud over linerens elastiske tøjningsgrænse, så materialet flyder. Ved efterfølgende aflastning optræder der nu trykspændinger i lineren, som modsvares af trækspændinger i fiberkompositten. Da polymermaterialerne har lavere stivhed og større tilladelige tøjninger end fiberkompositterne, kan en polymerliner normalt let følge med fiberkomposittens deformationer, uden der opstår brud i lineren, og en polymerliner forspændes derfor ikke. Til gengæld er polymere ikke helt tætte over for gasser. Gasserne diffunderer igennem polymermaterialerne, og når fiberforstærkede trykbeholdere med polymerliner anvendes til brændstoftanke til biler, stilles der derfor krav til, hvor stor permeabiliteten må være. Desuden henvises der til relevante ISOstandarder for fiberforstærkede trykbeholdere. Den teknologi, der benyttes til fremstilling af fiberforstærkede trykbeholdere, er blevet belyst. Fiberforstærkede beholdere til høje tryk vil i alle tilfælde være fremstillet ved vikling af styrkebærende fibre omkring en dorn eller en indvendig liner. Man skelner imellem to forskellige beholdertyper: 1) Beholdere med en tyk metalliner, hvor kun den cylindriske del er omviklet med fibre, som alle er orienteret i omkredsret- iii

5 ningen (omkredsviklinger), og ) beholdere med en tynd metalliner eller polymerliner, hvor både den cylindriske del af beholderen og endebundene er omviklet med flere lag af fibre med forskellige fiberorienteringer (spiralviklinger og omkredsviklinger). Nærværende arbejde beskriver de grundlæggende principper for vikling af fiberforstærkede plastkompositter. Efter en kort introduktion af de avancerede fiberkompositters egenskaber og udgangsmaterialer fokuseres der på de procesparametre, der har betydning for materialekvaliteten i de færdige komponenter. Rapporten omhandler såvel processer til fremstilling af fiberforstærket hærdeplast som processer til fremstilling af fiberforstærket termoplast. Desuden er der henvisninger til producenter af viklemaskiner, hjælpeudstyr og computerprogrammer til beregning og fremstilling af viklede emner. Udvalgte tekniske forhold, som skal inddrages ved etablering af anlæg til fremstilling, distribution og lagring af brint som gas er gennemgået. Endvidere peger rapporten på nationale bestemmelser, som skal overholdes og eventuelt udbygges, når sådanne anlæg en dag skal opstilles. På en række områder foreligger allerede erfaringer med tryksatte anlæg med brint. Der kan relativt nemt overføres viden og erfaringer fra de forsøgsanlæg, der gennem flere år har været i drift i vores nabolande. I relation til dette projekt kunne det især være interessant, om der i de kommende år kunne opbygges viden og praktisk erfaring om fremstilling, beregning, prøvning og dokumentation af lette lagertanke, store såvel som mindre tanke, hvor der anvendes forskellige typer linere i kombination med fiberforstærkede kompositmaterialer. Med udgangspunkt i foreliggende nationale og internationale bestemmelser samt de vedtagne og foreløbige standarder behandles de procedurer, der skal gennemføres for at opnå godkendelse af tryktanke til opbevaring af brint. Der omtales både stationære og mobile tryktanke. I disse bestemmelser og standarder anvises fremgangsmåder for og krav til fremstilling af tryktanke samt krav til materialer og procedurer for beregning, udvikling, prøvning, kvalitetskontrol og dokumentation. Det fremgår, at det ud fra et godkendelsesaspekt er væsentligt enklere at fremstille tryktanke af stål eller metal end tanke af fiberforstærket hærdeplast i kombination med linere af enten metal eller termoplast, linere er nødvendige for at opnå tilstrækkelig tæthed. Med baggrund i den indhentede viden og de foreliggende erfaringer er der gennemført en teknisk og økonomisk vurdering af de forudsætninger og faciliteter, der skal være til stede for at fremstille tryktanke til lagring af brint. Det omfatter bl.a. forhold vedrørende materialer, produktionsmetoder, prøvningsudstyr og kvalitetskontrol samt hvilke kompetencer, der skal opbygges for at etablerer en dansk produktion af tryktanke. iv

6 Indledning Formålet har været at undersøge barriererne for en produktion af avancerede højtryksbeholdere, der er specielt egnet til lagring af brint, så der i Danmark kan dannes grobund for en beholderproduktion. Undersøgelsen har foregået i samarbejde med en dansk beholderproducent og en potentiel slutbruger. Arbejdet har dels bestået i en specifik vurdering af brintlager som energibuffer i el-distributionsnettet og dels bestået i en mere generel vurdering af det potentielle marked for lagring af brint. Med baggrund i eksisterende kompetencer hos Teknologisk Institut, Forskningscenter Risø og Roug A/S, er der blevet foretaget indledende undersøgelser vedrørende udformning, fremstillingsteknologier samt materialeundersøgelser. Desuden er det teknologiske stade inden for brintlagring blevet afdækket ved at besøge to markedsførende aktører. På dette grundlag er der blevet foretaget en samlet vurdering af muligheden for at etablere en produktion af højtryksbeholdere i Danmark. Projektets indhold 1. Anvendelse af brintlagre 1.1. Undersøgelse af lagringsbehov i forbindelse med anvendelser (Forskningscenter Risø) Indledning Lagring af energi i form af brint på trykbeholdere kan komme på tale i forbindelse med anvendelser, der kræver såvel store som små energimængder. Eksempler på anvendelser med sådanne lagringsbehov er givet nedenfor: I MWh-området: Overskudsstrøm generelt Vindmøller Decentrale kraftvarmeunits (mellem reformer og brændselscelle) I kwh-området: Små kraftvarmeunits (mellem reformer og brændselscelle) Power Backup Strømgenerator Solceller Biler None-road køretøjer Auxiliary power units (lystbåde, lastbiler, biler) Brændselscellesystemer med reformer Industrigasser I Wh-området: Haveredskaber Cykler Kørestole Køl/frys Brændselsceller til elektronik Disse lagringsbehov vil kræve trykbeholdere af vidt forskellige størrelser, design og materialer, og deraf følgende forskellige produktionsteknikker. En god gennemgang af dagens muligheder for at lagre brint inkl. lagring i trykbeholdere findes i EU rapporten [1]: Hydrogen Storage: State-of-the-Art and Future Perspective af E. Tzimas, C. Filiou, S.D. Peteves and J.-B. Veyret, JRC Petten, The Netherlands (003) ISBN Den kan hentes elektronisk på hjemmesiden: 1

7 I projektet er der primært fokuseret på fremtidige danske lagringsbehov i MWh-området, idet den danske beholderproducent Roug A/S s umiddelbare ekspertise er inden for store trykbeholdere. Såvel rene metalbeholdere som metal/komposit og rene kompositbeholdere kan komme i betragtning. Seks potentielle danske anvendelser i MWh-området er identificeret og behandlet i det følgende. Lagringsønsker/krav i forbindelse med 6 potentielle fremtidige danske anvendelser for brintlagre i MWh-området Kravene til lagringsenheder i form af beholdere til brint under højt tryk bestemmes af anvendelsen for lageret og dermed af størrelsen af den lagrede energimængde, ønskede energitæthed og effektivitet, placering, fysiske og kemiske forhold, tæthed, sikkerhed, standarder, driftsforhold, vedligeholdelse, levetid, økonomi m.m.. Tabel I giver en oversigt over størrelsen af den lagrede energimængde for hver af de 6 potentielle fremtidige danske anvendelser for brintlagre i MWh-området. Tabellen angiver desuden, hvor mange lagre af den type, der skønnes at være behov for i fremtiden. Nedenfor er de 6 anvendelser omtalt i den rækkefølge, de vurderes at blive aktuelle. Tabel I: Oversigt over størrelsen af den lagrede energimængde for hver af de 6 potentielle fremtidige danske anvendelser for brintlagre i MWh-området samt anslået antal lagre. Lageranvendelse Energiindhold pr. brintlager Anslået antal lagre 7 MWh el-buffer i forbindelse med opstart/regulering på elnettet. Brintlager ved el-virkningsgrad på 40 % 0 MWh 10-0 Brint- og ilt-produktion - Hvide Sande projektet,3 MWh Bufferlager i forbindelse med VEnzin vision fuldskala Forsøgsanlæg 150 MWh 1,5 3 MWh ~100 1 Lagertanke på hydrogentankstationer demo: Malmø Hamburg Island Berlin Norge 3,4 MWh 9,7 MWh 3 MWh 5 MWh Produktionskapacitet 60 Nm 3 /h (0,18 MWh/h) krav til lagerstørrelse ukendt Fremtidsvision: Erstatning af 100 m 3 benzin/diesel ~1054 MWh > 1000 Brint til transportsektoren fra 1 TWh overskuds-el i 05 totalt Fyn/Jylland centrale lagre Mange, f.eks. 100, decentrale lagre hver bestående af 1667 trykbeholdere med 6 MWh brint Tankvognstransport af brint til decentrale lagre/tankstationer MWh MWh 5,7 MWh eller 53 MWh > 100

8 Buffer i forbindelse med opstart/regulering på el-nettet I forbindelse med opstart/regulering på el-nettet vil der i fremtiden være brug for el-lagre af størrelsesordenen 7-8 MWh (på længere sigt måske 0 MWh). Anlæggene skal kunne yde en effekt på 1 MW peak belastning i 15 min. El-lagerets levetid skal være mindst 10 år - svarende til min op- /afladningscykler til 90 % afladning. Et sådant demoanlæg har allerede været i udbud (004), og Energinet.dk vurderer et behov for 10 til 0 stk. i Vestdanmark i fremtiden. Skal et brændselscelleanlæg med en el-virkningsgrad på f.eks. 40 % være leverandør hertil, vil det kræve et brintlager på 18-0 MWh baseret på brints nedre brændværdi (LHV=10 MJ/kg). Brint- og ilt-produktion - Hvide Sande projektet Ringkjøbing Amt har iværksat et forprojekt omhandlende balancering af el-nettet ved hjælp af elektrolyse og lagring af ilt og brint (Hvide Sande Projektet) i perioder med overskud af strøm. Ilten anvendes i et lokalt dambrug, og brinten lagres til senere omdannelse til strøm på Hvide Sande Kraftvarmeværk eller på længere sigt som indfødning i naturgasnettet eller som brændstof i køretøjer. Anlæggets brint- produktionskapacitet bliver 576 Nm 3 /dag (bestemt af den samlede økonomi/ afsætningsmuligheder for ilt). Demoprojektet opererer med et brintlager på 5 m 3 ved 30 bar ca.,3 MWh baseret på brints nedre brændværdi. Yderligere oplysninger om projektet kan findes på [], hvorfra brochuren "Optimal Elbalancering" kan downloades. Projektet er klar til realiseringen, såfremt finansieringen er på plads. Der er over 360 ferskvandsdambrug i Danmark, som kunne drage nytte af en iltproduktion, hvis der i øvrigt er basis for lagring af el i form af brint i nærheden. Bufferlager i forbindelse med VEnzin vision I forbindelse med Elsams VEnzin vision ( anvendelse af overskuds-el til brintproduktion til fremstilling af VEnzin til transportsektoren) (se [3] har man brug for et bufferlager til brint i størrelsesordenen Nm 3 H (150 MWh). Prisen for lageret er meget vigtig. Et krav vil være, at opladningen skal kunne følge med elektrolysen, der leverer brint ved op til 30 bar. Herudover vil pladsforhold herunder sikkerhedsafstande også være en afgørende faktor, da kraftværkerne har begrænsede arealer til rådighed. Det tænkte fuldskala anlæg producerer tons metanol på årsbasis. En fremtidsvision, hvor det danske forbrug af benzin og diesel erstattes hovedsageligt med metanol, ville kræve ca. 100 anlæg af denne størrelse. Yderligere tænkes konceptet solgt som pakkeløsning til eksport inkl. underleverancer. Til et mindre forsøgsanlæg, der tænkes opført inden for de næste år, vil der være behov for et brintlager på Nm 3 [4]. Lagertanke på hydrogentankstationer Lagertanke på hydrogentankstationer, såvel store lavtrykslagre som mindre højtrykslagre, vil der være stigende behov for i de kommende år. På verdensplan er der ca. 100 hydrogentankstationer [5] fordelt med ca. halvdelen i USA, ca. en tredjedel i Europa og resten i Asien. Norge og Sverige er stærkt på vej til realisering af en række hydrogentankstationer, og danske Hydrogen Link undersøger mulighederne for etablering af en Grøn Nordisk Hydrogen Korridor fra Norge til Tyskland med hydrogentankstationer i Jylland. (Se igangværende projekter: HyNor - Hydrogenveien i Norge ( ), Vätgasväg längs Västkusten Sverige, og Hydrogen Link Danmark [6]). En række europæiske byer har brintdrevne demobusser med tilhørende tankningsanlæg som led i det europæiske projekt Clean Urban Transport Europe, CUTE [7]. De fleste tankstationer leverer tryksat brint, og de nyeste er beregnet til tankning af 350 eller 700 bar tanke. Nogle eksempler på tankstationslagre er: SydkraftGas i Malmø har en demobrinttankstation med et lager på 18 trykbeholdere med i alt ~ 3,7 m 3 brint ved 390 bar til direkte tankning af brintdrevne biler. I Hamburg findes et tankstationslager på 90 kg H ved 440 bar. På Island findes et lagermodul med 3 cylindere på i alt 860 l til max. 440 bar. I Berlin findes et tankstationslager bestående af 50 kg H ved 300 bar kg flydende brint. I Norge er der planlagt en tankstation med en kapacitet på 60 Nm 3 /h tilført via rørledning fra et centralt produktionsanlæg og med en lokal buffertank på 500 bar af ukendt størrelse. En fremtidsvision, hvor én af dagens tankstationers 100 m 3 store brændstoflagre af benzin eller diesel erstattes af et brintlager, 3

9 ville kræve plads til Nm 3 brint, svarende til 13 tanke à 100 m 3 ved 350 bar eller 10 tanke à 100 m 3 ved 30 bar. Brint til transportsektoren fra 1 TWh overskuds-el I Afsnit 1. Indpasningen af brintteknologi i energisystemet kommer Energinet.dk til den foreløbige konklusion, at det kan være økonomisk favorabelt at producere brint til brug i transportsektoren fra overskuds-el fra f. eks. vindenergi. I forbindelse med anvendelse af overskuds-el til transportsektoren kunne der i 05 være behov for lagring af 1 TWh brint i Vestdanmark. Dette kan tænkes lagret i form af brint via elektrolyse på 5-7 centrale lagre med efterfølgende distribution til forbrugsstederne via rørledninger eller på f.eks. tankvogne, eller det kan lagres som brint via elektrolyse direkte på mange decentrale forbrugssteder. Formodentligt vil sidstnævnte løsning være mest økonomisk. Måske fordelt i beholderstørrelsen 68 m 3 med 30 bar (~6 MWh), hvilket ville svare til i alt tanke. Behovet for disse lagre vil stige i takt med udbygningen af el-produktionen fra vedvarende energikilder. Tankvognstransport af brint I en vis udstrækning vil der være et behov for transport af brint vha. tankbiler til decentrale lagre/tankstationer. I dag har firmaet Linde f. eks. transporttrailere til tryksat brint i batterier af mindre letvægtsbeholdere med et samlet indhold på 530 kg brint (17,7 MWh), og til flydende brint i superisolerede kryostatbeholdere med et samlet indhold på 3370 kg brint (11 MWh). Sammenligning af de to transporttyper, der begge vejer totalt i nærheden af 40t, viser, at transport af flydende brint er mest effektiv; men hertil skal lægges omkostningerne ved kondensation af brint m.m.. Et behov for andre trykbeholderstørrelser kunne komme på tale i fremtiden. Et typisk tankvognslager kunne være på 63 m 3 ved 30 bar (5,7 MWh) eller 63 m 3 ved 350 bar (53 MWh). Lagerkapaciteter og beholderstørrelser for brint ved forskellige tryk Energiindholdet i de ovennævnte lagre varierer flere størrelsesordener og kan tænkes fordelt i form af brint på et antal større eller mindre tanke ved høje eller lave tryk. Til anskueliggørelse heraf giver Tabel II (Appendiks 1) en oversigt over, hvor meget forskellige energimængder lagret som brint fylder afhængigt af trykket (baseret på brints nedre brændværdi, LHV=10 MJ/kg). Det er sammenlignet med flydende brint og olie. Nederst er anført et par eksempler på beholderstørrelser. De lagerstørrelser og trykniveauer, som er nævnt i forrige afsnit, er medtaget i skemaet. Det bemærkes, at brint ikke opfører sig som en idealluftart ved komprimering. I skemaet er anført en Z-faktor (taget fra reference 1 [1]), som tager hensyn til dette. Op til et tryk på 00 bar er der en beskeden afvigelse (Z=1,1). Ved 400 bar er Z=1,3, hvilket betyder, at 400- bars-beholdere fortrinsvis kun benyttes, hvor der er begrænset plads til den ønskede lagerkapacitet. Det er typisk tilfældet i biler. Endnu højere tryk benyttes normalt kun i forbindelse med fiberforstærkede trykbeholdere, hvis der (også) er ønske om lav vægt, som f.eks. til rum- og luftfart. Lagrene til de ovennævnte anvendelser er store og stationære (bortset fra tankvognen). Det betyder, at der formodentligt ikke er primære krav til beholderstørrelser og beholdervægt. Derfor kan såvel højtryks- som lavtrykslagre komme på tale. Eksempelvis kunne brintlagringsbehovet i forbindelse med Hvide Sande projektet dækkes med 1 beholder på 5 m 3 med 30 bar, 5 beholdere på 1 m 3 med 30 bar eller 3 beholdere på 1 m 3 med 300 bar. Valget af beholderstørrelse vil være afhængigt af øvrige krav og især økonomiske overvejelser. Fiberforstærkede trykbeholdere vil derfor kun kunne komme på tale, hvis der er en økonomisk gevinst; enten direkte i forbindelse med fremstillingen eller indirekte ved håndtering og transport af mindre og/eller lettere beholdere. En lageropbygning baseret på en eller flere beholderstørrelser anses for hensigtsmæssig. Som udgangspunkt for Roug A/S s fremstillingsteknologiske overvejelser og økonomiske beregninger af forskellige beholderkoncepter er der i Tabel III, IV og V (Appendiks 1) udarbejdet et overslag over laminattykkelserne i glasfiberforstærkede beholdere med forskellige diametre og designtryk, for henholdsvis en ren fiberkompositbeholder og en metal/fiberkomposit-beholder. Med en ren fiberkompositbeholder 4

10 menes en beholder, hvor hele belastningen optages af fiberkompositmaterialet. Med en metal/fiberkompositbeholder menes en metalbeholder omviklet med glasfiber i omkredsretningen, således at metaldelen alene optager de langsgående belastninger, og metaldelen og fiberkompositdelen i forening optager belastningerne i omkredsretningen. Der er ikke regnet på kulfiberforstærkede beholdere, da dette kun vil være aktuelt, hvis vægten er afgørende, som f.eks. i transportsektoren, men som indledende betragtninger kan man regne med de samme godstykkelser (som ved glasfiber), da styrken af glasfiber og "standard-kulfiber" er næsten ens. Men vægtfylden er selvfølgelig forskellig. I de tre tabeller er der benyttet forskellige principper og udgangspunkt for overslagsberegningerne: Tabel III: En lille forsøgsbeholder (fremstillet på Risø i et tidligere projekt) i ren glasfiberkomposit med en diameter på Ø40 mm og et designtryk på 50 bar. Tabe IV: En aluminium/glasfiberbeholder med en diameter på Ø330 mm og et designtryk på 438 bar. Beholderen benyttes i demoanlægget hos SydkraftGas i Malmø, og data på beholderen stammer fra et besøg hos SydkraftGas i Malmø. Tabel V: Styrkeværdien i fiberretningen for en typisk glasfiberkomposit med ensrettede fibre. Flere forudsætninger og oplysninger er angivet i de respektive tabeller. I Tabel IV og V er de beregnede laminattykkelser ens, og de er ca. 80 % af de tykkelser, der findes med udgangspunkt i den lille beholder (Tabel III). Det må siges at være acceptabelt, da alle beregninger er overslagsberegninger baseret på en del antagelser. Beregningerne anses for at være tilstrækkeligt tæt på værdierne for en optimeret beholder, til at udgøre en god basis for overvejelser og beregninger af produktionsomkostninger, men det skal understreges, at alle beregninger er overslagsberegninger baseret på en del antagelser og meget simplificerede beregninger. Roug A/S s overvejelser og beregninger har ført til den vurdering, at den optimale tankstørrelse ligger på ca. 68 m 3, og følgende beholderstørrelser/design er værd at undersøge nærmere med henblik på fremstillingsteknologi og økonomi: Ø mm, 30 bar og 350 bar - ren komposit og metal/komposit Ø 500 mm, 700 bar - metal/komposit Ø.500 mm, 30 bar - ren komposit og metal/komposit Ø mm, 30 bar - metal/komposit Som tidligere nævnt er det et vigtigt krav i forbindelse med mange anvendelser, at beholdernes pris er konkurrencedygtig. Øvrige krav Uanset anvendelse vil trykbeholdere skulle opfylde alle danske og internationale sikkerhedskrav, standarder og normer under fremstilling, installering og brug mht. materialeegenskaber, dimensionering, konstruktion, prøvning, tæthed, brand, kollision, miljø m.m. En gennemgang heraf med henvisninger til standarder og normer er gennemgået i Afsnit... Linerteknologi og Afsnit.4. Undersøgelse af eksisterende standarder inden for tryktanke. Beholderne skal kunne klare de fysiske og kemiske forhold i omgivelserne, hvor de placeres. Eksempelvis: Højde over havet: <1000 m; udendørstemperatur: -30 C til +35 C; islag: 0 mm is; max. design snedække: 1 m; frostnedtrængning i jord: 0,5 m; max. vindhastighed: 50 m/s; vandret seismisk acceleration: < 0,3 g; forureningsniveau (IEC 60815): højt (stort salt indhold); max. støjniveau: < 8 db. 5

11 Der vil være krav til min. aftapnings- og påfyldningshastigheder, hvilket bl.a. stiller krav til ventiler og andre ydre enheder. Herudover skal der tages højde for, at aftapning medfører en afkøling og påfyldning en opvarmning af konstruktionen. Endvidere vil der være krav til styring og monitering under drift af indhold, tryk, temperatur, flow m.m., samt krav til levetid, eks.: El-lager mindst 10 års levetid svarende til min op- /afladningscykler til 90 % afladning. Det skal defineres, hvilke faktorer (antal cykler, temperatur m.m.) levetiden afhænger af, og hvilke dele, der vil påvirkes af udmattelse, slid, korrosion, erosion, og hvordan monitering heraf kan finde sted. Yderligere kan der være krav om særlige forhold i forbindelse med vedligeholdelse. Eks.: Adgangsforhold; special værktøjer; testudstyr; reservedele; malinger; særlige servicemedarbejdere; sikkerhed; særlige forholdsregler m.m. Sidst men ikke mindst vil der være krav om dokumentation i form af manualer og godkendelser. Referencer 1. Hydrogen Storage: State-of-the-Art and Future Perspective af E. Tzimas, C. Filiou, S.D. Peteves and J.-B. Veyret, JRC Petten, The Netherlands (003) ISBN "Optimal Elbalancering" fra under Brintprojekter/Hvide Sande Brint. 3. VEnzin vision 4. Personlig korrespondance med Niels Henriksen, Elsam. 5. Hydrogentankstationer 6. HyNor, Vätgasväg längs Västkusten Sverige og Hydrogen Link via Indpasningen af brintteknologi i energisystemet (Energinet.dk) På basis af Energinet.dk's Systemplan 005 er der udført simuleringer for år 05 for Jylland-Fyn med forskellige forudsætninger, hvor formålet er at analysere et muligt fremtidigt system med brint som energibærer. Der er forudsat forholdsvis stor vindkraftandel til at producere brint ved hjælp af elektrolyse. Integrationen af brintfremstillingen sammen med det øvrige elsystem sker via betalingsvilligheden for elforbruget. Hvis brinten skal bruges til almindelig elproduktion i spotmarkedet, kræver det meget stor prisvariation, idet virkningsgraden fra el til brint via elektrolyse og kompression til brintlageret antages at være på ca. 56%, og brug af brint fra lageret til elproduktion med brændselsceller antages at have en virkningsgrad på 50%. Derfor forventes det, at brinten hovedsagelig vil blive brugt i transportsektoren. Variationen i forudsætningerne giver en stor variation i mængden af brint, der vil være til rådighed. Endvidere er der lavet et skøn over lagerbehov i forbindelse med systemtjenester. Brint til transport Forudsætninger: - Høj- og lavprisniveau. I højprisniveau er den gennemsnitlige spotpris i nabosystemerne lig med den langsigtede marginalomkostning (310 DKK/MWh). I lavprisniveau er den gennemsnitlige spotpris lig med den kortsigtede marginalomkostning (170 DKK/MWh i Norden og 0 DKK/MWh i Tyskland). - Prisniveau for el til elektrolyse: lav (150 DKK/MWh), mellem (5 DKK/MWh) og høj (300 DKK/MWh). - Tilsvarende produktionspriser fra brændselsceller: 300, 450 og 600 DKK/MWh. - Vindkraftudbygning:.500 MW på land, MW off shore. Nuværende vindkraftkapacitet er ca..400 MW totalt. - Udlandskapacitet: - Norge ±1.000 MW - Sverige ±70 MW 6

12 - Tyskland 800 MW import, MW eksport. - Elforbrug 6,3 TWh/år - Termisk produktionskapacitet: - Centrale anlæg.500mw - Decentrale anlæg MW - Elektrolysekapacitet: MW. - Brændselsceller til elforsyning:.400 MW. Brintlagerbehov Mængden af brint, der er til rådighed for transportformål, afhænger af betalingsvilligheden sammenholdt med prisniveauet i el-systemet. Med en lav betalingsvillighed bliver der kun fremstillet brint ved hjælp af elektrolyse, når der er overskud af el - dvs. når der er meget vindkraftproduktion, høj kraftvarmeproduktion eller lave priser i nabosystemerne. Hvis det er vindproduktionen, som skal levere strøm til elektrolysen, kræver det forholdsvis høj lagerkapacitet, da der er stor variation i brintproduktionen, hvorimod hvis det er billig import, er lagerbehovet væsentligt mindre, idet brintproduktionen bliver meget mere jævnt fordelt. Forbruget til transportbehovet er i denne analyse antaget jævnt fordelt over året. Brint til rådighed for transport i Jylland-Fyn og tilhørende krav til brintlager, hvis lageret ikke giver begrænsninger: Betalingsvillighed for el til elektrolyse 150 DKK/MWh 5 DKK/MWh 300 DKK/MWh Produceret brint (TWh) Prisniveau i naboelsystemerne Lagerbehov (GWh) Produceret brint (TWh) Lagerbehov (GWh) Produceret brint (TWh) Lagerbehov (GWh) Lavprisscenario, , ,3 400 Højprisscenario - - 3, , Forventet transportenergi i 05 for hele Danmark er ifølge "Scenarier for samlet udnyttelse af brint som energibærer i Danmarks fremtidige energisystem", Roskilde Universitet, april 001: Forventet transportenergi i 05 for hele Danmark Årligt forbrug Type (PJ) (TWh) Personbiler 94,0 6,17 Busser 7,66,13 Tog 6,5 1,74 Lastbiler 71,50 19,86 Fly 3,65 1,01 Skibe 3,51 0,98 Samlet 186,77 51,88 Brintlagerbehovet afhænger af, hvor stor en del af transportenergien, der skal dækkes med brint som energibærer. En lille lagerkapacitet giver mindre frihedsgrader og dermed en dyrere brintfremstilling, omvendt vil en stor lagerkapacitet give større frihedsgrader i brintfremstillingen, men samtidig større investeringer. Et groft skøn for brintlagerbehovet til dækning af halvdelen af de danske biler og lastbilers energiforbrug vil være 400 GWh. Et prisoverslag på DKK for et brintlager på 65 m 3 og 60 bar ( ca. 11 MWh) giver en årlig omkostning på DKK/MWh lagerkapacitet ved en afskrivning over 30 år og 5 % rente, eller 35,5 DKK/MWh brintforbrug. 7

13 Systemtjenester Til systemtjenester er der fokuseret på brintlagerbehovet, idet selve den elektriske ydelse antages at ske med brændselsceller ved elproduktion/opregulering og med elektrolyse og komprimering ved elforbrug/nedregulering. Energinet.dk's behov for systemtjenester sendes i udbud, derfor vil ydelsen være i konkurrence med andre teknologier. Endvidere justeres behovet løbende. Se Energinet.dk's hjemmeside: I det følgende er beskrevet behov for primærreserve (frekvensregulering), automatisk reguleringsreserve og manuel reguleringsreserve. Som primærreserve ved frekvensafvigelser skal Energinet.dk i dag bidrage med ±3,1 MW for Vestdanmark. Ydelsen skal aktiveres gradvist (lineært) i løbet af 30 sekunder og derefter reduceres gradvist (lineært) i 15 minutter. I princippet skal frekvensreguleringen være klar umiddelbart efter de 15 minutter. Ud fra registreringer af frekvensafvigelser anses det for tilstrækkeligt at kunne yde det maksimale effektbidrag 3 gange i døgnet. Det giver et brintlagerbehov til opregulering på 3 gange á 0,5h / 50% / = 0,75 MWh/MW og til nedregulering på 3 gange á 0,5h 56% / = 0,1 MWh/MW, hvor de 50% er virkningsgraden for brændselscellen, og de 56% er virkningsgraden for elektrolysen inkl. komprimering. Division med er fordi bidraget gradvist reduceres. Dvs. et samlet brintlagerkrav på 0,96 MWh/MW. Primærreserven skal deles på flere anlæg og hvert anlæg må højst være på 0 MW. For at fylde eller tømme lageret via elbørsen, hvor handelen sker 1 timer før driftsdøgnet, bliver lagerkravet i stedet 0,96 MWh/MW 36h / 4h = 1,44 MWh/MW. Som automatisk reguleringsreserve køber Energinet.dk i dag ±140 MW i Vestdanmark. Disse skal være til rådighed hele døgnet. Den automatiske reguleringsreserve aktiveres 30 sek. efter afgivet ordre, når der er afvigelser i forhold til den planlagte udveksling med udlandet. Den automatiske regulering reduceres, når den manuelle reserve aktiveres. Under forudsætning af, at den automatiske reguleringsreserve skal være til rådighed hele døgnet, fås et brintlagerbehov til opregulering på 4h / 50% = 48 MWh/MW og til nedregulering på 4h 56% = 13,44 MWh/MW. Dvs. et samlet brintlagerkrav på 61,44 MWh/MW. Nedreguleringsdelen er ikke kritisk, men opreguleringskravet er i virkeligheden større, idet handelen på elbørsen afsluttes 1 timer før driftsdøgnet. Dvs. det samlede lagerkrav er 36H / 50% = 7 MWh/MW. Den automatiske sekundærreserve skal deles på flere anlæg, og hvert anlæg må højst være på 50 MW. Det tilhørende brintlager vil være på 3600 MWh. Den manuelle reguleringsreserve i Vestdanmark's område skal afløse den automatiske reguleringsreserve og være til rådighed hele døgnet. P.t. udbydes et manuel opreguleringsreserve på ca. 600 MW og en nedreguleringsreserve på 160 MW. Brintlagerbehovet pr MW er de samme som hos den automatiske reguleringsreserve.. Beholdere.1. Kravspecifikation (Forskningscenter Risø) Kravspecifikation af de identificerede applikationer er gennemgået i Afsnit 1.1. Undersøgelse af lagringsbehov i forbindelse med anvendelser... Beholderdesign og fremstillingsmetoder (Teknologisk Institut) Designmetoder Med udgangspunkt i pren 1393, Filament-wound FRP pressure vessels - Materials, design, manufacturing and testning, kan tryktanke af kompositmateriale dimensioneres. Standarden dækker tanke, som er 8

14 fremstillet af fiberforstærket hærdeplast, og hvor det strukturelle laminat er beskyttet af et såkaldt beskyttende barrierelag, som enten består af hærdeplast, eller er en liner af termoplast. Standarden angiver krav og fremgangsmåder til konstruktion, materialer, beregning, fremstilling og prøvning af tryktanke, der fremstilles ved vikling, og anvendes til overjordisk lagring og behandling af væsker. Standarden kan danne grundlag for udvikling af tryktanke til lagring af brint. Standarden specificerer to metoder til beregning af viklede tryktanke af fiberforstærket hærdeplast, hvor styrke og stivhed beregnes alene for de viklede komponenter. Metode A: anvender netteori, dvs. at fiberforstærkningen alene optager belastninger i svøb og endebunde. Konstruktionen verificeres ved prøvning af prototyper. Metode B: anvender laminatteori, dvs. at der er samvirke mellem fibre og matrix i hvert lamina og i laminatet ved beregning af svøb og endebunde. Det er et overordnet krav, at viklede tanke designes således, at ingen opstået fysisk ændring og ændring i materialeegenskaber påvirker tankes sikkerhed selv ikke efter lang tids belastning. Dette skal eftervises ved de prøvninger, som gennemgås efterfølgende. Standarden dækker tryk op til 0 MPa (~00 bar), og temperaturer fra -30 til 10 C. Der er begrænsninger for standardens anvendelse, idet den bl.a. ikke omfatter tryktanke til transport, tanke der udsættes for undertryk, eller tanke hvor der er risiko for eksplosion. Materialer Egenskaberne af de materialer, der anvendes til fremstilling af tryktanke, skal være i overensstemmelse med specifikationerne i EN :003 og EN 1311-:003 (1,). Der stilles krav om, at forskydningsstyrken mellem termoplast liner og det strukturelle lag skal være 5 N/mm, når prøvning udføres ved maksimal driftstemperatur. Pigmenter må kun anvendes i det strukturelle lag, når beregning udføres efter metode A. Til brug for beregning af nødvendige godstykkelser skal følgende ni materialekonstanter bestemmes. E 1 (MPa), elasticitetsmodul i fibrenes retning E (MPa), elasticitetsmodul vinkelret på fibrenes retning G (MPa), forskydningsmodul i laminatets/laminaets plan υ 1, tværkontraktionsforholdet eller Poissonsforhold X t (MPa), trækbrudstyrke i fibrenes retning X c (MPa), trykbrudstyrke i fibrenes retning Y t (MPa), trækbrudstyrke vinkelret på fibrenes retning Y c (MPa), trykbrudstyrke vinkelret på fibrenes retning S s (MPa), forskydningsstyrke i laminatets/laminaets plan Prøveemner Materialeegenskaber for hvert lamina skal anvendes ved beregning efter begge designmetoder. Prøveemner skal fremstilles med enkelt orienterede fibre ved vikling af et fladt emne. Prøveemnernes tykkelse skal være repræsentativ, ligesom krumme prøveemner skal have et passende forhold mellem tykkelse og diameter i forhold til den specificerede tryktank. Fiberindholdet i prøveemnerne må variere mellem +0% til -10% i forhold til det specificerede. Viklingens orientering skal være inden for ± 5% af det specificerede. 9

15 Dimensionering Tilladelige spændinger i hvert lamina af det lastbærende laminat bestemmes ud fra karakteristiske værdier af elasticitetsmoduler og styrker. Der anvendes en designfaktor K, som er et produkt af en materialeuafhængig sikkerhedsfaktor S og af partielle materialeafhængige faktorer A, som tager højde for forhold, som øver indflydelse på materialernes egenskaber. K = S A 1 A A 3 A 4 A 5 S =,0 Partielle faktorer Inhomogenitet og dispergering Indhold og andre påvirkninger Mindste værdi A 1 1,0,0 A 1,1 1,8 Designtemperatur A 3 1,0 1,4 Dynamisk last A 4 1,0 1,1 Statisk langtidslast A 5 1,5,0 Maksimal værdi De partielle faktorer kan kun anvendes, hvis der foreligger prøvningsdata, og nedenstående forudsætninger for de enkelte faktorer er overholdt. De partielle faktorer A 1 A 5 kan reduceres, hvis det kan dokumenteres ved prøvning på repræsentative laminater, at det er forsvarligt. To og flere faktorer kan bestemmes ved samme prøvning. K må ikke være mindre end 4,0. A 1 faktoren kan sættes til 1,0, hvis der foreligger mindst 5 enkeltmålinger af en egenskab, der er bestemt som 5% fraktilværdien ved normalfordeling og 95% sandsynlighed. Faktoren kan sættes til 1,, hvis middelværdien af egenskaben ved mindst 10 enkeltmålinger anvendes. Anvendes målte egenskabsværdier på et ikke statistisk grundlag, sættes faktoren til,0. A faktoren fastlægges afhængigt af hvilken type barrieremateriale, der er valgt. For brintbeholdere kan det antages, at lineren beskytter kompositlaminatet fuldstændigt, og der er kun tale om ydre påvirkninger. Faktoren kan umiddelbart sættes til 1,1. A 3 faktoren kan beregnes af følgende udtryk: TD 0 A3 = 1,0 + 0,4 HDT 40 T D er designtemperaturen HDT er matrixmaterialets blødgøringstemperatur (Heat Deflection Temperature). Temperaturgrænserne for mobile tryktanke til brint er -40 til 8 C. Anvendes f.eks. en polyester med HDT = 100 C, så varierer A 3 mellem 1,0 og 1,4. A 3 faktoren kan også bestemmes ved: 1. Måling af bøjestyrke, deformation ved brud og/eller bøje E-modul iht. EN/ISO 1415 ved 3 C og ved designtemperaturen.. Måling af tøjning ved langtids krybeprøvning iht. EN/ISO 1415 ved den spænding, der optræder under drift ved 3 C og ved designtemperaturen. 3. Måling af langtids trykprøvning til brud eller ikke brud ved 3 C og ved designtemperaturen. 10

16 Ovennævnte prøver kan udføres, samtidigt med at A 5 bestemmes. Målingerne ekstrapoleres til specificeret tid 10 5 timer iht. pren 1393:005 bilag C. A 4 faktoren sættes til 1,0, når der ikke er dynamisk last og 1,1, når der er mere end trykpåvirkninger i tankens levetid. A 5 faktoren sættes til,0 for en lastperiode på 10 5 timer (ca. 3 år). Faktoren kan reduceres, hvis der foreligger resultater fra enten 1. Krybeprøvning i mindst 1000 timer ved en spænding svarende til driftsbetingelserne og udført iht. EN/ISO Langtids ikke destruktiv trykprøvning, hvor tøjninger i tanken måles i givne tidsintervaller i en periode på mindst 1000 timer. For begge metoder foretages lineær ekstrapolation af de målte data til en lastperiode svarende til,3 gange de sidst målte tøjninger. Den nedre konfidensgrænse beregnes. Forholdet mellem korttidsværdien ved 0,1 time og langtidsværdien angiver A 5 faktoren, den må dog ikke være mindre end 1,5. Tilladelige tøjninger Tilladelige tøjninger for væskefyldte tryktanke fastlægges ud fra liningens egenskaber og den specifikke væske. Standarden accepterer mikrorevner i det strukturelle laminat, fordi det er beskyttet. Den største tilladelige tøjning (ε max ) dækker såvel membran- som bøjningspåvirkninger. ε lim ε max = A5 For spærrelag, der er opbygget af en overflademåtte efterfulgt af mindst 900 g/m opsprøjtet eller glasfibermåtte, angives grænsetøjningen (ε lim ) med følgende værdier, hvor ε resin er materialets brudtøjning. Type hærdeplast ε lim Umættet polyester (UP) Minimum (0,1 ε resin eller 0,0%) Vinylester (VE) Minimum (0,1 ε resin eller 0,5%) Epoxy (EP) Minimum (0,1 ε resin eller 0,30%) Består spærrelaget af termoplast, angives grænsetøjningen (ε lim ) med følgende værdier. Type termoplast ε lim Polyethylen (PE) 0,60% Polypropylen (PP) 0,50% Polyvinylchlorid (PVC-C) og (PVC-RL) 0,40% Polyvinylchlorid (PVC-U) 0,5% Polyvinylidenflourid (PVDF) 0,50% Spændingsanalyse Ved beregning af viklelaminater bestemmes linielasten i aksialretning N x og i omkredsretning N φ samt de tilsvarende bøjningsmomenter M x og M φ. Bøjningsmomenter kan også indregnes ved brug af en geometrisk faktor C. Standarden anbefaler og behandler kun nedenstående typer skalelementer. Cylindre Kugler Halvkugler 11

17 Geodætisk viklede endebunde Cylinderskal: N PS D 4M a w x = ± 4 4Da PS D = a φ wi ± πd N PS = designtryk Da = indvendig diameter M w = moment fra vindlast wi = egenvægt af komponenter a Kugleskal: Når alene indre tryk medtages, beregnes den specifikke last af følgende udtryk. PS Da N x = N φ = 4 Halvkugleskal: Når alene indre tryk medtages, beregnes den specifikke last af følgende udtryk. PS Da C N x = N φ = 4 C = 1, Geodætisk viklet endebundsskal Det understreges, at denne type endebund bør anvendes til viklede tryktanke, fordi der opnås en ensartet belastning i alle fibre. Endebundens geometri bestemmes af fiberorienteringen. Geometrien kan bestemmes af følgende relation. R R 1 r 3 = r r 1 r p p Når alene indre tryk medtages, beregnes den specifikke last af følgende udtryk. PS Da N x = 4 N = φ N x tg α α er viklevinkel Designmetode A Denne beregningsmetode skal verificeres ved prøvning af prototyper jf. efterfølgende afsnit Prøvning af prototyper. 1

18 Vurdering af spændinger Denne metode er kun anvendelig for cylindrisk tryktank med geodætisk viklede endebunde. Ud over spiralvikling skal laminatet også indeholde omkredsvikling. Der ses bort fra spændinger, der er vinkelret på fiberorienteringen. Spændinger i spiralviklingens fiberretning beregnes af følgende udtryk. σ 1, s = t N θ s cos α 0 Nφ er linielast i omkredsretning t s er spiralviklingens godstykkelse er spiralviklingens viklevinkel α 0 Spændingerne i omkredsviklingens fiberretning på cylinderen beregnes af følgende udtryk. σ 1, φ = N θ tg α 0 1 t φ N x er linielast i omkredsretning t φ α 0 er omkredsviklingens godstykkelse er spiralviklingens viklevinkel De tilladelige designspændinger bestemmes af følgende udtryk. σ σ brud 1 K σ brud er trækstyrken i fiberretningen for henholdsvis det spiralviklede og omkredsviklede laminat Tøjningen i fiberretningen beregnes og vurderes i forhold til følgende udtryk. ε σ 1 1 = ε max E 1 E1 er elasticitetsmodulet i fiberretningen Designmetode B Vurdering af spændinger Med linielasten (N) i aksial- og omkredsretning som udgangspunkt beregnes spændinger og tøjninger på grundlag af laminatsteori for hvert lamina. Beregninger udføres for de mest kritiske områder på konstruktionen. Spændingerne sammenholdes med tilladelige værdier. Der anvendes brudkriterium, hvor brud i et lamina er lig med brud i hele laminatet (First ply failure). Teoretisk godstykkelse Laminatets teoretiske godstykkelse beregnes af følgende udtryk. M f t = ρ V f f 13

19 M f er vægten af fibre pr. m Vægtandelen (W f ) og volumenandelen (V f ) af fibre beregnes af følgende udtryk. ρ f V f W f = ρ V + ρ 1 V ρ f f f er fibrenes densitet r ( ) ρ r er matrix materialets densitet V f f W ρ f = W f Wr + ρ ρ f r f Vurdering af spændinger Den tilladelige designspænding vurderes for hvert lamina i forhold til følgende udtryk. σ σ 1 σ 1 σ σ σ , brud σ 1, brud σ, brud S s K Indekserne 1 og angiver henholdsvis i fiberretningen og vinkelret på fiberretningen σ 1,brud er henholdsvis trækbrudstyrke og trykbrudstyrke i fiberretningen σ,brud er henholdsvis trækbrudstyrke og trykbrudstyrke vinkelret på fiberretningen σ 1 er laminar forskydningsspænding S s er laminar forskydningsstyrke Vurdering af tøjninger Tøjningerne i alle retninger skal vurderes i forhold til følgende udtryk. ε ε max Stabilitet I tilfælde hvor det findes nødvendigt at undersøge tankes stabilitet, gennemføres det i overensstemmelse med pren Laminatets E-modul bestemmes ud fra prøvning eller ud fra beregning, hvor egenskaberne for hvert lamina er kendt. Lokale forstærkninger Der skal gennemføres en FE-analyse for alle åbninger, studse og samlinger. Fastgørelses- og forstærkningslaminater skal medtages i beregningerne foruden afvigelser i viklemønstret og særlige områder, hvor der udført forstærkning. Spændinger og tøjninger skal vurderes, som anført ovenfor. Hvis der anvendes endebunde med anden udformning end tidligere anført, skal der udføres en komplet FEanalyse. Kravene til en alternativ udformning er: 1. at spændingerne intet sted er større end angivet ved ovennævnte spændingskriterium. at tøjninger intet sted er større end angivet ved ovennævnte formler 3. at de gennemsnitlige forskydningsspændinger ikke er større end 3,5 MPa 14

20 4. at udformninger der medfører trykspændinger undersøges for stabilitet Prøvning af prototyper Trykprøvning På mindst en tank bestemmes første brud. Tanken fyldes med vand eller anden egnet væske, prøvning udføres ved designtemperaturen, og trykket påføres med hastighed på 0,05 MPa/s for tanke med indvendig diameter 50 mm og 0,0 MPa/s for tanke med indvendig diameter > 50 mm. Det er et krav, at det højst opnåede tryk (kvalifikationstrykket), mindst skal være det højst tilladelige tryk designfaktoren K. Der må ikke opstå utæthed eller gennemtrængning af væske (weeping) for tryk under kvalifikationstrykket. Cyklisk trykprøvning Mindst en tank udsættes for cyklisk tryk med efterfølgende bestemmelse af sprængningstrykket. Tanken fyldes med en egnet væske, prøvning udføres ved designtemperaturen, der udføres cykler med trykvariation fra atmosfæretryk til designtryk, der må ikke opstå utæthed eller brud. Efterfølgende bestemmes sprængningstrykket under konditioner som anført ovenfor. Det er et krav, at sprængningstrykket efter cyklisk belastning mindst er det tilladelige tryk 0,7 K. Der må ikke opstå utæthed eller gennemtrængning af væske (weeping) for tryk under kvalifikationstrykket. Langtids trykprøvning Udføres for at bestemme den partielle faktor for kemisk påvirkning og/eller faktor for temperatur og/eller faktoren for statisk last. Prøvningen udføres således: Prøvetrykket påføres jævnt stigende, til designtrykket er nået, hvorefter trykket fastholdes i mindst 1000 timer. Tanken fyldes med en repræsentativ væske, og prøvning udføres ved designtemperaturen. Der udføres et mindste antal målinger af tøjninger, som er fordelt i tidsintervaller jf. standarden. Dokumentation Fabrikanten skal før fabrikation påbegyndes kunne dokumentere beregninger, tegninger og specifikation af konstruktion. Dokumentationen skal omfatte: 1. Beskrivelse af tryktanken herunder fremstillingsmetode, materialer, konditioner for drift, kvalitetskontrol. Konstruktions- og produktionstegninger 3. Resultater af beregninger 4. Resultater af materialeprøvning 5. Resultater af prototypeprøvning 6. Dokumentation af materialedata jf. EN Referencer: 1. pren 1393, Filament-wound FRP pressure vessels - Materials, design, manufacturing and testing.. EN :003, GRP tanks and vessels for use above ground Part 1: Raw materials Specification conditions and acceptance conditions. 3. EN :003, GRP tanks and vessels for use above ground Part : Composite materials Chemical resistance 4. pren GRP tanks and vessels for use above ground Part 3: Design and workmanship 5. ISO part 1-4, Transportable gas cylinders..1 Måling af brintdiffusion i beholdere og linere (Teknologisk Institut og Forskningscenter Risø) Brintmolekylet er et lille molekyle og kan derfor forventes at kunne transporteres relativt let gennem polymere materialer. Gennemtrængningen (permeationen) af brint gennem plastmaterialer sker ved en kombi- 15