Hydrogen Applications in the Aircraft Industry: Aircraft Fire and Cabin Safety Research Conference

Slide1TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupCompetence. Certainty. Quality. Hydrogen Applications in the Aircraft Industry Gerhard Klein & Bernd Zapf (gerhard.klein/bernd.zapf@tuev-sued.de) TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD Group, Germany Aircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004

Slide2TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 Contents •  Basic Properties of Hydrogen and its Application for Aircrafts •  Basic Aspects of Risk and Safety •  Automotive Industry •  Tolerable Risk Targets for Hydrogen in the Aircraft Sector •  Implementation of Risk Strategy

Slide3TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 Conventional Aircraft Power Architecture Aircraft Power Sources Aircraft Main Power Consumers

Slide4TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 Some properties of hydrogen and other fuels g  =  gaseous l   =  liquid Vapor density                           0.55             3.2-4               7                 1.56       about  1.5         1.4              0.09 relative to air Methane        Gasoline        Diesel fuel       Propane     Kerosene       Methanol     Hydrogen     (g)                    (l)                    (l)                   (g)                 (l)                  (l)                  (g) Flammability limit (Vol.%)                    5-16             0.6-8          0.6-6.5             2-10         0.6-7.0         6-36.5           4-75 Ignition temperature (°C)                     595           220-280            220              460        about  500        455              585   min. ignition energy (mJ)                   0.3                0.24               ./.                0.26       about 0.16        0.14            0.02

Slide5TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 Hydrogen – Current Applications

Slide6TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 Hydrogen Technology for Aerospace Combustion Engine Fuel Cell as APU Fuel Cell in space Apollo

Slide7TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 Fuel cells for Aircrafts – Why?   More efficient power supply   - due to FC technology       Low emissions - significant NOx reduction on ground and in flight       Low noise  - excellent potential for significant on ground noise reduction       Fuel economy - up to 75% Fuel Reduction on ground - about 30% Fuel Reduction in flight       Heat production       Water production

Slide8TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 Fuel Cells as Auxiliary Power Systems Performance evaluation shows two favorable fuel cell processes for aircraft applications: •  Proton Exchange Membrane Fuel Cell – PEMFC •  Solid Oxide Fuel Cell – SOFC T    60°C – 80°C T    800°C – 1000°C O 2 2H 2 O 2H 2 4 e- 4 e- PEMFC SOFC

Slide9TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 Main characteristics of Fuel Cells Operating Temperature Efficiency Fuel Fuel Processing Carbon Monoxide Sulfur Power Density Maturity Level approx. 60 – 80°C up to 40% kerosene no residual contamination CO must be removed sulfur must be removed < 1kg/kW pending on system concept approx. 800 – 1000°C up to 60% kerosene residual contamination tolerable less susceptible to CO less susceptible to sulfur < 1kg/kW improvement necessary PEMFC SOFC

Slide10TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 GH 2  for Fuel Cell GH 2 LH 2 Hydrocarbons - pressurized tanks -  Reformer -  GH 2  filters -  conv. Fuel tanks V eff     400 l/kg(H 2 ) W eff      24.2 kg/kg (H 2 ) V eff     15 l/kg(H 2 ) W eff      7.5 kg/kg (H 2 ) @ 30bar Depending on process Insulated tanks with: -  high mass -  high cost -  shelf life of LH 2   marginal Utilization of hydrogen onboard

Slide11TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 The main advantages of reforming kerosene onboard the aircraft are: •  high density fuel (4 times higher than LH 2 ) •  easily storable •  only  one  fuel type (kerosene) onboard There are several reforming processes: Kerosene Water Steam Hydrogen rich gas Heat Air Kerosene Heat Temperature: 1300 °C Pressure: 30 bar – 70 bar Temperature: 700 °C Pressure: 1 bar Air Kerosene Hydrogen rich gas Water Steam Temperature: 700 °C Pressure: 2,5 bar – 30 bar 1) Steam Reforming 2) Partial Oxidation Hydrogen rich gas 3) Autothermal Reforming Kerosene reforming process

Slide12TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupSafety Concepts Explicit rules for a new technology Results from Research and Development Experience from operation Quality Standards Rules and Regulations Social Requirements System Analysis Risk Assessment Safety / Optimization    Analysis    Requirements    Basis    Synthesis Targets: ’   Acceptance on the part of public and authorities ’   Acceptable safety

Slide13TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupOur Services for Hydrogen and Fuel Cell Applications    Safety consultancy    Expertise    Certification    Qualification, Tests    Training    Safety    Quality    Reliability    Economic efficiency

Slide14TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 Safety in commercial aircrafts Procedure: -  Identify hazards, perform a fault hazard analysis -  Trace back the hazards to components & their failure modes -  Assign a reliability target to each hazard -  Design and manufacture component according to this reliability rates    using single element integrity, fail-safe-design, ... This procedure has proven to be very successful in the past because -  commercial aircraft designs don’t change considerably over time -  commercial aircraft industry is very conservative in design approaches -  commercial aircraft is tightly regulated

Slide15TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 Strategies for the implementation of “new” technology or “old” technology in a new context Requirements derived from -  experiences with similar technology   in related areas of application -  codes, technical rules  “State of the art” well defined Requirements derived from -  system analysis   (probabilities of failures and their    consequences)    Main weak-points are identified   Suitable counter-measures can be      taken What‘s the situation for hydrogen? Safety aspects – Strategies and requirements

Slide16TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 Rules - Codes and Standards 73/23/EEC low voltage directive IEC 62282 fuel cell technologies 98/37/EC industrial machinery directive 89/336/EEC electromagnetic compatibility 94/9/EC “ATEX directive“ 97/23/EC pressure equipment directive ANSI/CSA FC 1-2004 stationary Fuel Cell Power Systems ISO TC 197 Hydrogen Technologies IEC TC 105 fuel cell technologies

Slide17TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupExperiences of TÜV SÜD   Stationary H2 Applications   Solar Hydrogen Plant                                  H2MUC   MTU   PAFC  /  SOFC  /  div. PEM  /  MCFC Mobile H2 Applications DaimlerChrysler / VW / BMW /  MAN / Proton Motor / Opel / Ford Portable H2 Applications (FC) Smart Fuel Cell, P21, EnKat, Fronius 1990 1995 2000 2005 Precommercial Phase Standards LPG, CNG mobile and stationary applications since 1975

Slide18TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 1 st  conclusion • Experiences • Experiences  with hydrogen in the automotive and other sectors are only partly of use for aircrafts with respect to  - technical boundary conditions and    -  qualification of users • Standardization • Standardization  is on the way, but -  there is no obvious cooperation of the “big 2 players” -  the example of automotive industry shows that    standardization takes some time

Slide19TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 Tasks Therefore, the following questions arise: - How can we push forward the introduction of hydrogen, simultaneously demonstrating it is “safe”, i. e. free from unacceptable risk? - What is the residual risk for occupants or flight crew? - Will it be accepted by the authorities (and the public)? - How safe is safe enough? What is risk?

Slide20TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 What is risk? – Risk Analysis log (Consequence) log (Frequency) acceptable not acceptable Risk = Frequency x Consequence Risk = const. Risk = const.

Slide21TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 21 Consequence Critical event External risk reduction facilities Other technology safety-related systems Circumstantial / procedural barriers (e.g. operating instructions, unplanned yet beneficial circumstances) limited defects of barriers •  internal •  external Barriers (defenses to the potential escalation of a critical event) E/E/PE safety-related systems Hazard State Performance of Risk Analysis

Slide22TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 IEC 61508:  Safety requirements For each hazard state we have to specify the  necessary risk reduction  in order to determine the safety integrity 1  requirements for the safety-related systems involved: (from IEC 61508, part 5) 1 safety integrity:  probability of a safety-related system satisfactorily performing the required safety functions under all stated conditions within a stated period of time.

Slide23TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 AMC 25.1309 / AC 25.1309-1 • No single failure will result in a Catastrophic Failure Condition • Each Catastrophic Failure Condition is extremely impossible Dealing with hydrogen, we can have catastrophic failure conditions, e. g. leakage of hydrogen to the environment which is not detected by the sensors. So we have to avoid corresponding single failures and have to show that these conditions are extremely impossible What is the “necessary risk reduction” in aircraft industry?

Slide24TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 AMC 25.1309 / AC 25.1309-1 Allowable Quantitative Probability: Average Probability per Flight Hour on the Order of < 10 -9 Catastrophic

Slide25TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 (1)  Utilizing  well  proven  methods   for  the  design  and  construction  of  the system  (“deterministic  approach”)  and (2)   Determining  the  Average  Probability  per  Flight  Hour  of  each   Failure  Condition   using  structured  methods,  such  as  Fault  Tree  Analysis,   Markov  Analysis,  or  Dependency  Diagrams  (“probabilistic  approach”)   ;  and (3)   Demonstrating  that  the  sum  of  the  Average  Probabilities  per  Flight  Hour   of  all  Catastrophic  Failure  Conditions  caused  by  systems  is  of  the   order  of  10 -7   or  less AMC 25.1309 / AC 25.1309-1 If it is not technologically or economically practicable to meet the numerical criteria for a Catastrophic Failure Condition, the safety objective may be met by accomplishing  all  of the following:

Slide26TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 (1)  Utilising  well  proven  methods   for  the  design  and  construction  of  the system  (“deterministic  approach”)  and (2)   Determining  the  Average  Probability  per  Flight  Hour  of  each   Failure  Condition   using  structured  methods,  such  as  Fault  Tree  Analysis,   Markov  Analysis,  or  Dependency  Diagrams  (“probabilistic  approach”)   ;  and (3)   Demonstrating  that  the  sum  of  the  Average  Probabilities  per  Flight  Hour   of  all  Catastrophic  Failure  Conditions  caused  by  systems  is  of  the   order  of  10 -7   or  less AMC 25.1309 / AC 25.1309-1 If it is not technologically or economically practicable to meet the numerical criteria for a Catastrophic Failure Condition, the safety objective may be met by accomplishing  all  of the following:

Slide27TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupProven methods Failures and Hazards – Scenarios (Munich Airport) •  Accident involving a   H2 Vehicle •  Separation of H2   supply lines during filling Mechanical Stresses Outdoor installation Environmental Stresses •  Deviations of process   parameters •  H2 release from safety   valves •  Leakage, loss of   containment Technical Failures Explosion / Fire Overfilling Human Error

Slide28TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupConsequences – Fire tests with Hydrogen and Gasoline Tank Hydrogen (LH2) Gasoline Proven methods

Slide29TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD Group  Operating instructions   Alarm and danger avoidance plan   Short briefings   Regular trainings   Maintenance strategy Proven methods Human Factor

Slide30TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD Group•  Leak proof design of components, suitable materials •  Defined explosion zones and safety areas •  Dominant P&I system •  Emergency-off control-switch system •  Specific process parameters monitored •  non technical measures •  Gas + Fire alarm system •  Infrared camera General safety equipment for the overall plant Proven methods

Slide31TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 (1)  Utilising  well  proven  methods   for  the  design  and  construction  of  the system  (“deterministic  approach”)  and (2)   Determining  the  Average  Probability  per  Flight  Hour  of  each   Failure  Condition   using  structured  methods,  such  as  Fault  Tree  Analysis,   Markov  Analysis,  or  Dependency  Diagrams  (“probabilistic  approach”)   ;  and (3)   Demonstrating  that  the  sum  of  the  Average  Probabilities  per  Flight  Hour   of  all  Catastrophic  Failure  Conditions  caused  by  systems  is  of  the   order  of  10 -7   or  less AMC 25.1309 / AC 25.1309-1 If it is not technologically or economically practicable to meet the numerical criteria for a Catastrophic Failure Condition, the safety objective may be met by accomplishing  all  of the following:

Slide32TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 Logical OR-Gate Logical AND-Gate Basic event („= component + failure mode“) Determining the Probability – Causal Analysis Apportionment of quantitative requirements

Slide33TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 IEC 61508:  Safety Integrity Level (SIL) for E/E/PES For E/E/PES we expect that SIL 3 or 2 should be sufficient (see IEC 61508-1, 7.6.2.9). Existing sensors, PLC, and fire protection systems should be able to fulfil these requirements

Slide34TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 Further assumptions:   ( Logic system) = 10 -7 /h; Test period: 1 year Series connection SIL 1 (maybe not sufficient) “Playing with numbers” LNG-data (Center for Chemical Process Safety)

Slide35TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 2 nd  conclusion no  fundamental  difficulties • There seem to be  no  fundamental  difficulties  with the introduction of hydrogen for aircrafts • More  detailed  analyses • More  detailed  analyses  of the - process technology to be used, - E/E/PES, -  state of the art of components and systems - organizational measures - Optimized strategies for maintenance and repair - Regular inspections - Training of personnel   are still necessary to guarantee the required level of safety • Learning  from  existing  solutions • Learning  from  existing  solutions  is encouraged

Slide36TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004 Hydrogen Technology – Ready for Take-off with TÜV Aerospace gerhard.klein@tuev-sued.de

Slide37TÜV Industrie Service GmbH TÜV SÜD GroupAircraft Fire and Cabin Safety Research Conference Lisbon, Portugal 15-18 November 2004