Deutschland - Druckbehälter - Metallhydridspeicher

Präambel Im Rahmen des Förderprogrammes BordstromTech-RL II) soll ein Brennstoffzellensystem für das Forschungsschiff Coriolis beschafft werden. Dies Projekt wird durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert, koordiniert durch NOW-GmbH Die Helmholtz-Zentrum hereon GmbH (Hereon) ist eine gemeinnützige Forschungseinrichtung und eine der 18 Mitgliedseinrichtungen der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren e. V. Die Aufwendungen des Hereon werden zu 90% vom Bund (BMBF - Bundesministerium für Bildung und Forschung) und zu 10% von den vier Konsortialländern (Schleswig-Holstein, Hamburg, Niedersachsen und Brandenburg) finanziert. Die satzungsmäßige Aufgabe der Gesellschaft ist es, im multidisziplinären Verbund Forschung und Entwicklung insbesondere auf den Gebieten der Materialforschung, der Küsten-, Klima- und Umweltforschung sowie der regenerativen Medizin zu betreiben. Technische Beschreibung: 1. Generelle Projektinformation Das Helmholtz Zentrum Hereon und das DLR Institut für Maritime Energiesysteme planen ein gemeinsames Wasserstoffsystemlabor (H2SL) an Bord des Forschungsschiffes Coriolis zu betreiben. Das H2SL besteht neben Peripherie vorrangig aus dem Metallhydridspeicher, welcher eine Eigenentwicklung des Hereon ist, und einer Brennstoffzelle. Neben der Brennstoffzelle wird das Forschungsschiff einen diesel-elektrischen Antrieb + Batterie besitzen. Durch das H2SL wird es möglich sein, das Schiff in bestimmten Betriebszuständen (z.B. bei Fahrt in Teillast) emissionsfrei zu betreiben. Die Betankung des Metallhydridspeichers erfolgt mit Hilfe von Flaschenbündeln, die mit Hilfe eines Krans auf das Schiff befördert werden. Das Forschungszentrum Hereon und das DLR Institut für Maritime Energiesysteme haben zusammen mit einem Ingenieurbüro das H2SL bereits grundlegend geplant. Ein HAZID Workshop, welcher zur Erteilung einer Einzelabnahme (engl.= Approval in Principle) des Wasserstoffsystems an Bord führt, fand im September 2022 statt. Der Speicher als solches wurde hierbei nicht berücksichtigt. Für die derzeitige Planung des H2SL wurden vorrangig folgende Regularien verwendet: - IGF - Code - DNV Regulations Part 6 Chapter 2 Section 3 - Fuel Cell Installations - Druckgeräterichtlinie Die Integration des gesamten Wasserstoff-Speicher-Brennstoffsystems im Rahmen des Schiffsneubauprojektes erfolgt auf Basis des IMO Circ. 1455 ,,Guidelines for the approval of alternatives and equivalents as provided for in various IMO Instruments"". Hierbei handelt es sich um einen risikobasierten Konstruktions- und Evaluierungsprozess. Forschungsziel Im Rahmen dieses Ausschreibungsverfahrens soll ein Metallhydridspeicher (MHS) beschafft werden, der zukünftig ein fundamentaler Bestandteil der Forschung des Hereon sein wird. Er dient der sicheren Speicherung von Wasserstoff an Bord der Coriolis. Es gibt eine Reihe von Forschungsfragen, welche mit Hilfe des Speichers beantwortet werden sollen. Dabei geht es zum einen um Erkenntnisse bei der Fertigung der Speicher, speziell bei der Befüllung der Speicherelemente mit Metallhydrid. Vor allem aber soll im Betrieb das Be- und Entladeverhalten des Wasserstoffspeichers untersucht werden. Von besonderem Interesse sind hierbei Fragestellungen in Bezug auf die wärmetechnische Kopplung mit der Brennstoffzelle, da deren Abwärme als Reaktionswärme für die Desorption (Freisetzung des Wasserstoffs aus dem Metallhydrid) genutzt werden soll. Allgemeines zur Wasserstoffspeicherung in Metallhydriden Bei der Wasserstoffspeicherung in Metallhydriden bindet sich Wasserstoff reversibel in speziellen Metallen. Bei Metallhydriden handelt es sich um Metallpulver oder Granulate verschiedener Legierungen, die Wasserstoff bei bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen speichern können. Es gelingt so, besonders sicher bei moderatem Druck große Mengen Wasserstoff in recht kleinem Volumen zu binden. Im Anlieferungszustand liegt das Metallhydrid als Granulat mit einem Durchmesser 2 - 10 mm vor. In diesem Zustand kann das Metallhydrid an Umgebungsluft verarbeitet werden. Allerdings sollte es nicht erhitzt werden, da sich ansonsten an der Oberfläche eine irreversible Oxidschicht bildet. Daher ist nach Befüllen beim Verschweißen der Böden darauf zu achten, dass kontinuierlich formiert wird. Je nach Art der eingesetzten Legierung reicht ein geringer Wasserstoffdruck zur Beladung bei Raumtemperatur aus. Während der Beladungsreaktion wird Wärme freigesetzt. Die Beladungsreaktion ist umso schneller, desto besser diese Wärme durch eine geeignete Kühlung abgeführt wird. Diese Wärme muss bei der Entladung des Speichers wieder zugeführt werden. In diesem Fall soll die Abwärme aus der nachgeschalteten Brennstoffzelle den größten Teil dieser Wärmeenergie liefern. Ein Metallhydridspeicher hat daher immer Wärmeaustauschflächen. Grundsätzlich bestehen Metallhydridspeicher aus einem Druckbehälter mit einem Stutzen für den ein- bzw. ausströmenden Wasserstoff. Üblich ist ein zylindrischer Mantel mit zwei gewölbten Böden an den Enden. Sie sind entweder außen- oder innengekühlt. Ein großer Metallhydridspeicher setzt sich aus mehreren Einzelelementen zusammen. Die Einzelelemente werden meist liegend auf geeigneten Tragelementen fixiert. Aufgrund der begrenzten Zeichen Zahl konnte nicht die gesamte Beschreibung veröffentlicht werden, die vollständige Leistungsbeschreibung entnehmen Sie bitte den vergabeunterlagen. 1.1 Informationen hinsichtlich der Schiffsintegration und der Aufstellung des Metallhydridspeichers Der Metallhydridspeicher (MHS) wird an einem Rahmengestell montiert, dass zusammen mit dem Tankanschlussraum (TCS) auf der Bodenplatte eines 5 Fuß-Containers (lxBxH: 2200x1600x1400 mm) montiert wird. Damit ist ein Transport des Speichers zwischen Hersteller, Hereon bzw. Schiff möglich. Die Containerplatte wird mit Twistlock-Verbindungen auf dem Vordeck des Schiffes verankert. Die Bodenplatte mit Metallhydridtank und Tankanschlussraum soll mit Hilfe eines Krans an Bord gehoben werden, daher liegt das maximale Gewicht des Speichers, des TCS nebst Platte bei 5000 kg. Entsprechende Anschlagpunkte zum Heben sind vom Hersteller vorzusehen. Zudem sind Verbindungsstücke vorzusehen, mit denen es möglich ist, den Speicher mit dem Kühl-/Heizwassersystem des Schiffes über Rohrkupplungen zu verbinden. (Anschlüsse liegen direkt neben dem Aufstellungsort) Der Speicher und TCS werden auf dem offenen Deck am Bug des Schiffes aufgebaut, daher ist ein seewasserbeständiger Korrosionsschutz notwendig. Wellenschlag und allgemeine Wettereinflüsse sind ebenfalls zu berücksichtigen. 1.2 Zulassung und Zertifizierung des MHS und des TCS Der MHS und TCS werden durch die Klassifizierungsgesellschaft Bureau Veritas (BV) und die BG Verkehr abgenommen. Im Rahmen dieser Abnahme ist keine Typenzulassung durch die Klassifizierungsgesellschaft gefordert. Für den MHS und den TCS wird eine Case-by-Case Designprüfung durch die Klassifizierungsgesellschaft durchgeführt. Alle von der Klassifizierungsgesellschaft für die Designprüfung benötigten Unterlagen müssen vom Hersteller des MHS und des TCS an die Klassifizierungsgesellschaft übermittelt werden. Die Kosten für die Designprüfung von Seiten der Klassifizierungsgesellschaft werden direkt zwischen Hereon und der Klasse verrechnet. Im Rahmen der Designprüfung muss der Aufbau und die Sicherheit des MHS und des TCS dem BV-Regelwerk NR678 entsprechen. Alle verbauten Komponenten (Ventile, Sensoren, Armaturen, Leitungen, etc.) müssen eine für den Einsatzzweck entsprechende Zulassung (Atex, Druck, Temperatur, etc.) mit CE-Zeichen aufweisen. Sicherheitsrelevante Bauteile (Sicherheitsventil, Überdruck- und Übertemperatursicherung, etc.) benötigen zusätzlich eine maritime Typenzulassung. Für den MHS und TCS müssen alle für die Zulassung benötigten Prüfungen (Drucktest, Dichtigkeitstest mit Leckagerate, etc.) durch den Hersteller bzw. einer zugelassenen Überwachungsstelle (ZÜS) durchgeführt werden. Die finale Druckprüfung des MHS erfolgt nach Befüllung mit dem Hydrid und muss mit Inertgas erfolgen. Sie ist entweder direkt beim Hersteller (sofern dafür zugelassen) oder einer dafür zugelassenen und befähigten Stelle durchzuführen. 1.3 Aufbau des Metallhydridspeichers (MHS) Der zu bauende Speicher soll 30 kg Wasserstoff einer Metallhydridschüttung von ca. 2,2 t sicher in einem Verbund aus Einzelreaktoren speichern können. Das Design des MHS wird von Hereon vorgegeben und die Metallhydridschüttung wird durch Hereon beigestellt. Die technisch-konstruktive Ausarbeitung des Designs muss vom Bewerber nach Rücksprache mit Hereon umgesetzt werden. Der gesamte Speicher besteht aus vier Units zur Speicherung von jeweils 7,5 kg Wasserstoff. Jede der vier Units soll wasserstoffseitig separat angesteuert werden können. Zudem verfügt jede Unit über einen separaten Kühlmittelkreislauf, der über vier schiffsseitige Pumpen versorgt wird. Jede der vier großen Units besteht wiederum aus 7 bis 30 miteinander verbundenen Einzelreaktoren aus Werkstoff 1.4571 (max. zulässiger Druck 100 bar bei T max. 150 °C). Diese Einzelreaktoren weisen jeweils ein unterschiedliches Design auf. Dabei bestehen alle Designs aus einzelnen drucktragenden Rohren mit Radien zwischen DN 65 und DN 200 und einer Länge von ungefähr 1500 mm mit gewölbten Böden als Abschluss, in denen sich das Metallhydrid befinden soll. Eine Wasserstoffzuführung und innere Verteilung z. B. mit Hilfe von Sintermetallrohren ist vorzusehen. Des Weiteren werden Trennbleche vorgesehen, um eine gleichmäßige Schüttdichte über die Rohrlänge zu erhalten. 1.4 Montage und Inbetriebnahme auf dem Schiff Die Montage des 5 Fuß Containergestells auf dem Schiff wird vom Auftraggeber durchgeführt. Aufgrund der begrenzten Zeichen Zahl konnte nicht die gesamte Beschreibung veröffentlicht werden, die vollständige Leistungsbeschreibung entnehmen Sie bitte den Vergabeunterlagen.