Wasserstoff ist mit großem Abstand das häufigste Element im Universum. Er kommt chemisch gebunden in praktisch allen organisch-chemischen Verbindungen vor. Wasserstoff ist als Baustoff für das Leben unersetzlich. Auch als Baustoff für unsere Industrie und Wirtschaft ist er ebenso unverzichtbar.
Nun aber sieht sich die Politik durch ihre Energiewende gezwungen, Wasserstoff für fast alles einzusetzen, was der Politik in den Sinn kommt. Für Mobilität im Verkehr, fürs Heizen in Wohnhäusern, als chemischer Speicher für überschüssige elektrische Energie. Das alles ist heute technisch möglich, es ist jedoch unbezahlbar. Seine chemischen und physikalischen Eigenschaften schlichtweg determinieren ‚was geht‘.
Wasserstoffversprödung
Molekularer Wasserstoff (H2) ist zunächst relativ harmlos. Es besitzt aber eine destruktive Eigenschaft. Problematisch wird es, wenn sich einzelne Wasserstoffatome bilden, beispielsweise
- bei Korrosion
- bei elektrochemischen Prozessen
- bei hohen Temperaturen
- an Metalloberflächen.
Diese Atome können in das Metallgitter eindringen. Vereinfacht läuft Folgendes ab: Einzelne Wasserstoffatome diffundieren in das Metall hinein. Sie sammeln sich an Fehlstellen, Korngrenzen oder Versetzungen. Dort verändern sie die Bindungsfähigkeit im Metall. Unter Belastung entstehen Mikrorisse. Diese Risse wachsen und können zum Bruch führen. Fachleute nennen dieses Phänomen Wasserstoffversprödung.
„Ein Riss entsteht und wächst explosionsartig“, veranschaulicht Michael Pohl, Professor für Werkstoffprüfung an der Ruhr-Universität Bochum. Die Rissfront kann sich mit Geschwindigkeiten bis zu 6.000 m pro Sekunde ausbreiten. Duktiles, also verformbares Metall, wird dadurch spröde und bricht irgendwann plötzlich, ohne Vorwarnung.
Wasserstoffversprödung (engl. hydrogen embrittlement) ist eines der wichtigsten technischen Probleme beim Umgang mit Wasserstoff. Sie ist seit Jahrzehnten bekannt und wurde intensiv untersucht, weil sie Pipelines, Druckbehälter, Turbinen, Fahrzeuge und andere Anlagen beeinflussen kann.
Bei der Versprödung verliert ein Metall seine Zähigkeit und Duktilität, wird also spröder und anfälliger für Risse und plötzliche Brüche. Ein Bauteil, das normalerweise unter Belastung elastisch nachgeben würde, kann dann unerwartet versagen – teilweise ohne vorherige sichtbare Verformung. Besonders betroffen sind:
- hochfeste Stähle
- einige Nickellegierungen
- Titanlegierungen
- Schweißnähte und wärmebeeinflusste Zonen
Weniger empfindlich sind viele austenitische Edelstähle, Aluminiumlegierungen und Kupferlegierungen.
Die Versprödungsgefahr steigt typischerweise bei Schweißnähten, hohen Wasserstoffdrücken, hohen Zugspannungen, hochfesten Stählen und zyklischer Belastung (Ermüdung). Interessanterweise sind extrem hohe Temperaturen oft weniger kritisch, weil viele Werkstoffe dort anders reagieren und Wasserstoff schneller wieder austreten kann.
Was bedeutet die Versprödung für Gaskraftwerke?
Wasserstoff macht Turbinenstahl spröde, heißt es bei Ingenieur.de [1]. Allerdings seien Forschung und Industrie nicht untätig: Das Fraunhofer IWM in Freiburg hat ein Prüfverfahren entwickelt, um die Auswirkungen erstmals realistisch zu testen. Und Turbinenhersteller wie Siemens Energy setzen auf gezielte Werkstoffauswahl.
Das Problem ist seit über 160 Jahren bekannt, bekommt mit dem Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft aber eine neue Dimension. Denn Wasserstoff wird für immer mehr Einsatzzwecke interessant, etwa für die Gaskraftwerke, von denen die Bundesregierung in den kommenden Jahren eine ganze Flotte ausschreiben will. Ob das gelingt, hängt nicht nur von der Verfügbarkeit des Energieträgers ab, sondern insbesondere davon, ob das Turbinenmaterial dem neuen Brennstoff standhält [1].
Weiter heißt es: Kraftwerks-Gasturbinen gehören zu den am stärksten beanspruchten Maschinen überhaupt. Ihre Schaufeln rotieren unter hohem Druck mit Tausenden Umdrehungen pro Minute bei Temperaturen von über 1000 °C. Jeder Start- und Abschaltvorgang bedeutet extreme Temperaturwechsel, die das Material zusätzlich belasten. Ingenieure sprechen von thermomechanischer Ermüdung.
Wird eine solche Turbine statt mit Erdgas mit Wasserstoff betrieben, kommen gleich mehrere Herausforderungen hinzu:
Wasserstoff verbrennt anders. Seine Flammengeschwindigkeit ist rund zehnmal höher als die von Erdgas. Die Flammentemperatur steigt, und es besteht die Gefahr sogenannter Flammenrückschläge. Dabei läuft die Flamme zurück in den Brenner und kann ihn beschädigen. Deshalb müssen Brennkammern für den Wasserstoffbetrieb komplett neu konstruiert werden.
Wasserstoff diffundiert überall hin. Durch seine geringe Molekülgröße findet Wasserstoff seinen Weg durch Dichtungen und Flansche, die für Erdgas problemlos funktionieren. Jedes Bauteil, das mit dem Gas in Kontakt kommt, muss auf Wasserstofftauglichkeit geprüft werden.
Wasserstoff greift das Material an. Gerade in den kälteren Zonen der Turbine – am Brennstoffinjektor, bei An- und Abfahrvorgängen – kann unverbrannter Wasserstoff unter hohem Druck in die Superlegierungen der Turbinenschaufeln eindringen.
Generell gilt: Je komplexer ein Stahl aufgebaut ist, desto mehr Angriffsfläche bietet er dem Wasserstoff. Hochfeste Superlegierungen, wie sie in Turbinenschaufeln zum Einsatz kommen, sind daher theoretisch gefährdet.
Deutschland hat mit dem Strom-Versorgungssicherheits- und Kapazitätengesetz (StromVKG) den gesetzlichen Rahmen für den Bau neuer Gaskraftwerke geschaffen. Die ersten Ausschreibungen sollen noch 2026 starten, weitere folgen 2027. Doch die Turbinen, die jetzt bestellt werden, laufen zunächst mit Erdgas und allenfalls einer Wasserstoff-Beimischung. Ob sie später auch mit 100 Vol.-% Wasserstoff betrieben werden können, hängt nicht zuletzt von den Werkstoffen und ihrer Qualifizierung ab.
Kurz gesagt: Wasserstoffversprödung ist ein reales und ernstes Materialproblem, aber kein grundsätzliches Hindernis für den Einsatz von Wasserstoff in Gaskraftwerken. Sie erhöht jedoch die Anforderungen an Konstruktion, Werkstoffe, Wartung und Überwachung der Anlagen und damit den Strompreis erheblich. Überdies sind bereits die Herstellung und Transport von „grünen“ Wasserstoff extrem aufwendig, ineffizient und teuer.
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