Schneller zur Bauteilsicherheit bei Verbrennungsprozessen mit Wasserstoff

Die Beimischung von Wasserstoff zu fossilen Kraftstoffen ist ein wichtiger Schritt zur Dekarbonisierung von Verbrennungsprozessen in Großmotoren oder Gasturbinen. Die dort eingesetzten Werkstoffe sind extremen Temperaturwechseln, mechanischen Beanspruchungen und dem Wasserstoffgas ausgesetzt. Je nach Anteil im Brennstoff und der Werkstoffempfindlichkeit reduziert der Wasserstoff die Ermüdungsfestigkeit zusätzlich. Wissenschaftler des Fraunhofer IWM haben nach Mitteilung des Instituts gezeigt, wie die thermomechanische Ermüdung (TMF) unter Wasserstoffeinfluss wirtschaftlich mit Hohlproben bestimmt werden kann.

Die Beimischung von Wasserstoff gilt als Übergangstechnologie, um Gasturbinen zur Stromerzeugung oder Großmotoren für Schiffe oder Fahrzeuge grüner zu machen, ohne die Anlagen komplett austauschen zu müssen. Ziel vieler Forschungsprojekte und Unternehmen ist, Verbrennungsmaschinen wie Motoren und Turbinen komplett mit Wasserstoff zu betreiben. Die Nachfrage nach Gasturbinen zur Stromerzeugung steigt, denn mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien sind Gaskraftwerke gefragt, die das Stromnetz bei Schwankungen in der Energieerzeugung stabilisieren, da sie eine flexible Fahrweise erlauben.

Mit zunehmender Wasserstoffkonzentration bei der Verbrennung wächst die CO₂-Einsparung und es wachsen die Herausforderungen für die Werkstoffe, die mit dem hoch diffusiven Wasserstoff in Kontakt kommen. Folglich nehmen die Anforderungen an die Bewertung der Sicherheit und Zuverlässigkeit zu. Der Schlüssel ist die Auslegung gegenüber der sogenannten thermomechanischen Ermüdung, die unmittelbar die Lebensdauer beeinträchtigt. Die Folgen aktuell sind höhere Sicherheitsabschläge im Bauteildesign, der Einsatz teurer Werkstoffe oder aufwendige Bauteilversuche. Gefragt sind fundierte Entscheidungsgrundlagen, die die Komplexität der Beanspruchungen berücksichtigen.

Die Werkstoffe und Bauteile im Labor zu testen und für den Einsatz im Wasserstoffkontakt zu qualifizieren, liegt auf der Hand. Aber die Praxisbedingungen müssen im Labormaßstab dargestellt werden und die Aussagekraft der ermittelten Materialeigenschaften muss zur Absicherung der Lebensdauer und zur Optimierung des Bauteildesigns in die industrielle Praxis übertragbar sein.

Wasserstoffdiffusion, Temperaturwechsel und Zug-Druck-Belastung unabhängig voneinander kombinieren

Die Möglichkeit, Hochtemperaturwerkstoffe in einer Wasserstoffdruckkammer zu erproben, scheidet aus, da sich die hohen und wechselnden Betriebstemperaturen mit dem Druckwasserstoff darin nicht kombinieren lassen. Die Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM setzen daher sogenannte Hohlproben ein, bei denen durch eine Bohrung im Probeninneren Wasserstoff strömt und das Probenmaterial von außen mit den thermomechanischen Betriebsbedingungen beaufschlagt wird. Damit können unabhängig voneinander der Wasserstoffdruck, die Temperaturänderungen sowie die Zug- und Druckbelastungszyklen experimentell variiert werden und so für verschiedenste Betriebsfälle Aussagen zur Werkstoffeignung abgeleitet werden.

Dass die Hohlproben zur Ermittlung der Auswirkungen von Wasserstoffgas auf die Werkstoffeigenschaften bei gleichbleibender Temperatur (isothermen Prüfbedingungen) und für wechselnde Temperaturen (anisotherme Prüfbedingungen) geeignet sind, konnte in aktuellen Versuchen (und im Rahmen öffentlich geförderter Projekte) gezeigt werden.

Versuchsaufbau zur Untersuchung des Einflusses von Wasserstoffgas auf die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen an Hohlproben in Gesamtansicht (oben) und im Detail (unten) (Bild: IWM / Kai Wudtke)

Stufenweise Umsetzung der Versuchsergebnisse in die Praxis

Die Untersuchungsergebnisse (Spannung, Dehnung, Lebensdauer) aus den TMF-Versuchen liefern zunächst Entscheidungsgrundlagen für die Wahl geeigneter Werkstoffe. Bei der Konstruktion von Bauteilen für den Einsatz in Verbrennungsmaschinen gilt es, abzuwägen, zwischen konservativer Auslegung und erwarteter Lebensdauer, das heißt Belastungszyklen, bis die Werkstoffermüdung zur Entstehung von Rissen führt. Und nicht zuletzt können und müssen wasserstoffbedingte Abschläge in Abhängigkeit des Drucks im Lebensdauerverhalten bewertet und berücksichtigt werden. Die vielfältigen zu optimierenden Zusammenhänge werden in einem Werkstoffmodell abgebildet und kommen so in Bauteilsimulationen zum Einsatz.

Mit der experimentellen Kombination und der Variation der Werkstoffbelastungen in Turbinen und Motoren bei Verwendung von wasserstoffhaltigen Brennstoffen können die Auswirkungen des Wasserstoffs nun schnell und wirtschaftlich bewertet werden. Werkstofftechnologische Weichenstellungen für die Dekarbonisierung von Verbrennungsprozessen werden damit berechenbar. Die Versuchsdurchführung erfolgt bei einer Temperatur von bis zu 900 °C. Der Hohlraum der Werkstoffprobe wird vor dem Versuch über eine Bohrung im Inneren mit Druckwasserstoff (Druck bis 250 bar) beladen. Während des Versuchs diffundiert der Wasserstoff in den Werkstoff und beeinflusst dessen Festigkeit.

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