Das Forschungsprojekt HyLife des Fraunhofer IWM und National Institute of Standards and Technology NIST zielt darauf ab, ein physikbasiertes Prognosewerkzeug für die Lebensdauer für Materialien im Kontakt mit Wasserstoff zu entwickeln. Durch innovative Testmethoden und Materialmodelle soll die Lebensdauer von Komponenten unter Wasserstoffeinfluss zuverlässig vorhergesagt und somit entscheidend zur Sicherheit und Effizienz von Infrastrukturen der Wasserstoffwirtschaft beigetragen werden.
Die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger ist abhängig von sicheren Infrastrukturen für dessen Speicherung und Transport. Werkstoffe und Bauteile für Druckbehälter und Rohrleitungen von gasförmigem Wasserstoff müssen hinsichtlich ihrer Anfälligkeit für Wasserstoffversprödung getestet und qualifiziert werden. Aktuell werden viele Komponenten, die mit Druckwasserstoff in Kontakt kommen, sehr konservativ ausgelegt oder sehr zeit- und kostenintensiven mechanischen Bruch- und Ermüdungsprüfungen unterzogen. Die Qualifizierung neuer Werkstoffe für Wasserstoffanwendungen kann mehrere Jahre in Anspruch nehmen. Die Materialcharakterisierung und -qualifizierung ist daher für den Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft ein Erfolgsfaktor.
Genau hier setzt das Forschungsprojekt HyLife an, eine Kooperation des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM mit dem National Institute for Standards and Technology (NIST) in den USA, das gerade begonnen hat und bis 2028 laufen wird. Die Fraunhofer-Gesellschaft fördert in ihrem Forschungsprogramm ICON – International Cooperation and Networking – die strategische Zusammenarbeit zwischen Fraunhofer und einem herausragenden internationalen Forschungspartner.
Übergreifendes Ziel von HyLife sind weniger konservative, dennoch zuverlässige Konstruktionsrichtlinien für Komponenten, die unter Druckwasserstoff betrieben werden. Dafür werden schnellere und aussagekräftigere Qualifizierungskonzepte für Bauteile von Wasserstoffinfrastrukturen entwickelt. Die Vorteile liegen auf der Hand: Eine materialeffizientere Konstruktion von Infrastrukturen und eine zeit- und kosteneffiziente Qualifizierung von Komponenten unterstützen den beschleunigten Aufbau der nachhaltigen Energiewirtschaft.
Der Schlüssel dafür ist ein validiertes physikalisches Vorhersagemodell für die Lebensdauer von Stahlteilen mit Schweißnähten. Mit dem Modell soll die Schädigung von Materialien im Kontakt mit Wasserstoff auf Basis ihrer Mikrostruktur und einiger physikalischer Kenndaten zuverlässig vorhergesagt werden. Dies soll ein Paradigmenwechsel in der Lebensdauerprognose werden und den Bedarf aufwendiger und teurer Versuche zur Entstehung und Ausbreitung von Rissen für die Sicherheitsbewertung verringern. Dadurch können die Produktionskosten gesenkt und Innovationszyklen beschleunigt werden.
Auf dem Weg zum Modell kommt eine innovative Mikroproben-Prüftechnik des Fraunhofer IWM zur Bestimmung der Bruchzähigkeit und des Risswachstums zum Einsatz. Die Messergebnisse werden mit einzigartigen Hochdurchsatz-Ermüdungstests auf der Makroskala des NIST abgeglichen. Auch bei der präzisen Messung der Dekohäsion mechanisch belasteter Korngrenzen, die zu einem besseren Verständnis von lokalen Schädigungen durch Wasserstoff führen soll, ergänzen sich die Partner bei der Mikrostrukturanalyse, Materialdatenverwertung und Modellbildung. Ziel ist, dass das Vorhersagemodell mit weniger Materialkenndaten auskommt und gleichzeitig die wasserstoffinduzierte Entstehung und Ausbreitung von Rissen auf der Mikroskala besser berücksichtigt.
Mikrozugprobe (6 mm Länge, Stegbreite 0,4 mm) in der Prüfkammer in Probenhaltern montiert (Bild: IWM / Kai Wudtke)
Mit dem Wasserstoffgas-Mikroautoklaven können quasi-statische Zugprüfungen sowie mechanische Ermüdungs- und Bruchexperimente an Mikroproben bis zu einem Wasserstoffgasdruck von 5 MPa (50 bar) durchgeführt werden. Die Kammer des Mikroautoklaven fasst maximal eine Menge an Druckwasserstoff, die vier Liter Wasserstoff bei Atmosphärendruck entspricht.
Der Projektplan sieht vor, dass das HyLife-Modell direkt in den Normen ASME B31.12 und ISO 11114-4 für die Auslegung von Bauteilen Anwendung findet, und so die Sicherheit und Effizienz in der Wasserstoffwirtschaft erhöht.
Komplementäre Expertisen für sichere Wasserstoffinfrastrukturen
Das Fraunhofer IWM ist auf die Aufklärung von Schädigungsmechanismen in Werkstoffen spezialisiert und bringt eine besondere Expertise in der Charakterisierung und Modellierung von Werkstoffen auf der Mikroskala ein. So können präzise Materialkenndaten direkt aus kritischen Bauteilbereichen gewonnen werden.
Das National Institute of Standards and Technology (NIST) ist die führende Forschungsorganisation und Normungsbehörde der USA. Die Fatigue and Fracture Group am NIST zeichnet sich weltweit gesehen in Hochdurchsatz-Ermüdungstests in Wasserstoff auf der Makroskala aus. Durch die Zusammenarbeit mit Normungsgremien wie ASME und ISO fließen die Ergebnisse der Forschung am NIST direkt in die Entwicklung und Aktualisierung relevanter Normen ein.
Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM arbeitet an der Nachhaltigkeit in der industriellen Wertschöpfung. Mit seinen Forschungs- und Entwicklungsleistungen eröffnet es seinen Partnern Wege und Gestaltungsräume für Langlebigkeit und Sicherheit in Bauteilen, Ressourceneffizienz in Prozessketten sowie Energieeffizienz in Maschinen. Dazu macht das Institut Werkstoffe in Prozessketten, Bauteilen und Maschinen mit ihrem Verhalten und ihren Eigenschaften berechenbar. Die Auswirkungen von mechanischen, tribologischen, thermischen, elektrischen und chemischen Beanspruchungen auf die Funktion und die Beständigkeit von Werkstoffen werden erforscht und Lösungen entwickelt, damit diese in Prozessen und Bauteilen wie einstellbare Systeme genutzt werden können.
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Text zum Titelbild: Wasserstoffgas-Mikroautoklav-Aufbau für mechanische Insitu-Tests in gasförmigem Wasserstoff an Mikroproben (Bild: IWM / Kai Wudtke)
