Minderung der zyklischen Beanspruchbarkeit durch den Einfluss von Wasserstoff

Wasserstoffversprödung, Lebensdauerabschätzung

Das Fraunhofer LBF unterstützt Unternehmen aus den Bereichen Transport, Energie sowie des Maschinen- und Anlagenbaus bei der Entwicklung zuverlässiger, leichter und effizienter Produkte, die mit Wasserstoff beaufschlagt werden. Hierfür werden kundenspezifische oder individuelle Analyse- und Versuchskonzepte eingesetzt, um den gestiegenen Anforderungen für den Betriebsfestigkeitsnachweis gerecht zu werden und die realen Betriebsbedingungen optimal abzubilden.

Die Europäische Union verfolgt das Ziel, bis zum Jahr 2050 klimaneutral zu werden und den CO2-Ausstoß massiv zu reduzieren. Allerdings ist festzustellen, dass Deutschland selbst seine nationalen Ziele für 2020 nur erfüllen konnte, weil das öffentliche Leben und die Wirtschaft aufgrund der Corona-Pandemie starken Einschränkungen unterworfen waren. Bis zum Jahr 2030 sollen die Treibhausgasemissionen im Vergleich zu 1990 mindestens um 40 % (im Gespräch sogar bis 55 %) und bis 2050 sogar um 80-95 % gesenkt werden. Analysen haben gezeigt, dass 75 % der Treibhausgasemissionen der EU auf den Energieverbrauch zurückgehen. Um diese gesetzten Ziele zur Reduktion der Treibhausgasemissionen durch Reduktion des Energiebedarfs erreichen zu können, ist eine Überarbeitung des Energiesystems notwendig. Neben dem Ausbau von »kreislauforientierten Energiesystemen« mit z. B. Nutzung der Abwärme von Anlagen soll auch eine »Elektrifizierung der Endverbrauchssektoren« vorangetrieben werden. Hierzu zählt die Nutzung von regenerativ erzeugtem Strom für z. B. Wärmepumpenheizungen in Gebäuden und die Elektrifizierung des Verkehrs (Elektrofahrzeuge). Als dritte Säule des Strategieprogramms soll die Nutzung sauberer sowie erneuerbarer Brennstoffe, wie z.B. Wasserstoff und Biokraftstoffe ausgebaut werden. In einem integrierten Energiesystem kann Wasserstoff dabei die Dekarbonisierung von Industrie, Verkehr, Stromerzeugung und Gebäuden in ganz Europa unterstützen. Als vorrangiges Ziel gilt es, die Entwicklung zum Transport und zur Nutzung von Wasserstoff zu stärken, der hauptsächlich mithilfe von Wind- und Sonnenenergie erzeugt wird und in Sektoren Anwendung finden soll, welche nicht für eine direkte Elektrifizierung geeignet sind, wie z. B. Nutzfahrzeuge, Züge.

Der Umbruch der Energiewirtschaft mit dem Aufbau einer auf Wasserstoff basierenden Wirtschaft eröffnet die Chance, nachhaltig einen positiven Einfluss auf die Umwelt und den globalen Klimaschutz zu nehmen. Eine kurzfristige Umstellung ist allerdings mit Hürden, Hindernissen und Engpässen verbunden, da eine etablierte und auf fossile Brennstoffe basierende Energiewirtschaft nicht so einfach umgestellt werden kann. Als mögliche Engstellen sind an dieser Stelle zu nennen: die ausreichende Verfügbarkeit von Wasserstoff – beginnend bei der Erzeugung bis über den Transport und der Speicherung bei den Verbrauchern. Eine weitere Grundvoraussetzung stellt der Punkt Sicherheit dar. Einerseits für die auszubauende Infrastruktur, andererseits aber auch für die nachfolgende Anwendung für Brennstoffzellenfahrzeuge, -züge und -flugzeuge. Aufgrund des bekannten, versprödenden Einflusses des Wasserstoffs im Kontakt mit metallischen Werkstoffen, der sog. Wasserstoffversprödung, gilt es sicher zu stellen, dass bezüglich eines sicheren Betriebes von Wasserstoff-beaufschlagten Komponenten, keine Gefahren zur ein vorzeitiges Bauteilversagen ausgehen. Aus diesem Grund betreibt das Fraunhofer LBF seit mehreren Jahren individuelle Versuchseinrichtungen, um die Verringerung der Werkstoff-Beanspruchbarkeit gegenüber äußeren Lasten aufgrund korrosiver Umgebungseinflüsse (z. B. Wasserstoff oder Biokraftstoffe) zu untersuchen und damit zu quantifizieren.

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Untersuchungen unter Druckwasserstoff

Mittels individueller und variabler Prüfkonzepte können am Fraunhofer LBF Schwingungsrisskorrosionsuntersuchungen durchgeführt werden, um relevante Schädigungsmechanismen zu identifizieren und Kennwerte zur Modellbildung bzw. zur Ableitung von geeigneten Bemessungskonzepten zu ermitteln.

Zur Untersuchung des zyklischen Werkstoffverhaltens unter dem Medium Wasserstoff, wird am Fraunhofer LBF seit mehreren Jahren eine spezielle Versuchseinrichtung zur Durchführung von kraft- und dehnungsgeregelten Versuchen unter Druckwasserstoff mit Gasdrücken von 10 bis 50 bar eingesetzt. Neben der Durchführung von Referenzuntersuchungen in inerter Stickstoffatmosphäre mit einem Druck von 10 bar, besteht auch die Möglichkeit zum Temperierung des Autoklaven, mit regelbaren Prüftemperaturen zwischen -40 °C und +130 °C.

Untersuchungen unter elektrochemisch appliziertem Wasserstoff

Im Rahmen des Projektes H2-D – »Eine Wasserstoffwirtschaft für Deutschland« forschen 25 Fraunhofer-Institute an der Beantwortung zentraler Fragestellungen zum Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft in Deutschland. Dazu gehören die Produktion von Wasserstoff mittels Elektrolyse (Schwerpunkt 2) sowie eine sichere Infrastruktur und sichere Technologien (Schwerpunkt 3) für dessen Transport, Speicherung, Verteilung und Anwendung. Für die Nutzung von Wasserstoff gibt es vielfältige Anwendungsfelder. Daher sollen in diesem Vorhaben ausgewählte, hochrelevante Anwendungsbeispiele aus Industrie und Gewerbe im Detail untersucht und in Auslegung und Betrieb auf Basis digitaler Zwillinge optimiert werden. Im Schwerpunkt H2DIGITAL (Schwerpunkt 4) werden Schlüsselkomponenten der Wertschöpfungskette modellbasiert abgebildet und es wird ein Fraunhofer-übergreifender kohärenter Daten- und Modellraum für eine zukünftige Wasserstoffwirtschaft aufgebaut. Im Rahmen der systemischen Gesamtbetrachtung (Schwerpunkt 1) werden alle Einzelschwerpunkte mit Fokus auf eine zukünftige Wasserstoffwirtschaft und Einbindung dieser Technologie in das Gesamtenergiesystem gemeinsam betrachtet.

Seitens des Fraunhofer LBF wurde in diesem Kontext im Schwerpunkt 3 (sichere Infrastruktur) eine Untersuchungseinrichtung basierend auf einer elektrochemischen Zelle entwickelt, welche es ermöglicht, zyklische Schwingfestigkeitsuntersuchungen mit simultaner, elektrochemischer Wasserstoffbeladung durchzuführen, siehe Foto links oben. Durch Einsatz dieser Untersuchungseinrichtung können im Vergleich zur Druckwasserstoffbeaufschlagung mit reduziertem Zeit- und Kosteneinsatz Aussagen über eine mögliche Wasserstoffanfälligkeit metallischer Werkstoffe getroffen werden. 

Werkstoffqualifizierung und Beanspruchbarkeitsanalyse unter Druckwasserstoff

Zur Untersuchung des Einflusses von Druckwasserstoff auf das zyklische Werkstoffverhalten des Edelstahls 1.4521 (X2CrMoTi18-2), wurden dehnungsgeregelte Versuche unter 50 bar Druckwasserstoffbeaufschlagung durchgeführt. Der Vergleich der Versuchsergebnisse in Form einer Dehnungswöhlerlinie bei Versuchsdurchführung unter Luft (schwarz), zeigt im Vergleich zu den Ergebnissen unter Druckwasserstoff (blau), dass der schwingfestigkeitsreduzierende Einfluss des Wasserstoffs insbesondere im Kurzzeitfestigkeitsbereich, bzw. bei großen Dehnungsamplituden εa,t, zum Tragen kommt. Der Vergleich der Lebensdauer für eine Totaldehnungsamplitude von εa,t = 0.8 % ergibt eine Reduktion der Anrissschwingspielzahl um den Faktor 20.

Die Auswertung der im Rahmen der dehnungsgeregelten Versuchsdurchführung ermittelten Wechselverformungskurven verdeutlicht, dass das Versagen unter dem Medium Druckwasserstoff im Vergleich zum Versuch an Luft eher unvermittelt und ohne eine ausgeprägte Anrissphase auftritt. Ohne einen erkennbaren Einbruch der Spannung kommt es zum schlagartigen Versagen der Werkstoffprobe bei deutlich geringerer Lebensdauer. Diese Änderung der Materialeigenschaften, insbesondere die Erhöhung der Sprödigkeit, wird verursacht durch das Eindringen und die Einlagerung von Wasserstoff in dem Metallgitter und wird als sog. Wasserstoffversprödung bezeichnet werden. 

Zur Bewertung einer möglichen Wasserstoff-bedingten Anfälligkeit unterschiedlicher Werkstoffe, ist es zwingend notwendig entsprechende Untersuchungen durchzuführen. Nur hiermit kann ausgeschlossen werden, dass aufgrund von Unkenntnis ein frühzeitiges Versagen von Bauteilen und Systemkomponenten auftritt, was möglicherweise zu fatalen Folgen für den Nutzer führen könnte. Die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger stellt daher sehr hohe Anforderungen an die Sicherheitstechnik, da bereits Wasserstoff-Anteile > 4 vol.-% mit Umgebungslauft ein zündfähiges Gemisch und ab 18 vol.-% ein explosives Gemisch bilden. Aufgrund der Geruchslosigkeit kann man austretendes Gas nicht wahrnehmen, weshalb die einzelnen Komponenten und Verbindungen nach hohen Standards herzustellen sind. 

Förderung:

Hy2Design: DFG Deutsche Forschungsgemeinschaft ME 3301/4-1, Forschungsstellen: SAM und IfW der TU Darmstadt

H2-D: Internes Forschungsprojekt der FhG