Entwicklung, Validierung und sicherheitstechnische Anwendung eines numerischen Ausbreitungsmodells für Flüssigwasserstoff

Entwicklung, Validierung und sicherheitstechnische Anwendung eines numerischen Ausbreitungsmodells für Flüssigwasserstoff
von Christian Jäkel
Die Veränderungen im Energiesektor, auch aufgrund der zur Begrenzung der Erderwärmung notwendigen Dekarbonisierung, haben zur Folge, dass zunehmend eine Wasserstoffinfrastruktur als Nachfolger der heutigen Kohlenwasserstoffinfrastruktur diskutiert wird.

Derzeit lässt sich Wasserstoff nur in flüssiger Form wirtschaftlich über lange Strecken transportieren. Flüssiger Wasserstoff hat eine Temperatur bei Umgebungsdruck von -253 °C. Eine Freisetzung des tiefkalten Wasserstoffs hat die Ausbreitung einer tiefkalten Lache, einer sehr dynamischen Verdampfung und die Ausbreitung einer Gaswolke zur Folge. Letztere entspricht zu Anfang lokal einer Schwergasausbreitung und erfährt später auf-
grund von höherer Temperatur Auftrieb. Die Gaswolke ist ab einem Mischungsverhältnis von ca. 4,0 Vol.-% in Luft zündfähig, wobei die Zündenergie im Vergleich zu Kohlenwasserstoffen extrem gering ist.

Dies bedeutet, dass sowohl von der tiefkalten Lache als auch von der teilweise tiefkalten Gaswolke mehrere Gefahren ausgehen. Daher ist eine Bewertung hinsichtlich dieser Ausbreitung im Rahmen von Sicherheitsanalysen für technische Anlagen, die flüssigen Wasserstoff beinhalten und verarbeiten, notwendig. Innerhalb der vorliegenden Arbeit wird einModell erarbeitet und vorgestellt, das gesamtheitlich in der Lage ist, sowohl die Lachen- als auch die Gasausbreitung in einer beliebig komplexen 3D-Geometrie zu berechnen.
Das Modell beruht auf einem numerischen Verfahren zur Berechnung von Strömungen, sog. CFD - Computional Fluid Dynamics, wobei in diesem Fall ein Mehrphasen - Mehrkomponentenansatz mit Untermodellierungen für die Phasenumwandlung genutzt wird.

Dieses Modell wird mithilfe von vorhandenen Experimenten validiert und abschließend erstmalig auf ein Freisetzungsszenario in einer Wasserstoffverflüssigungsanlage angewendet.