Schnellere Daten für Wasserstoff-Anwendungen in Turbinen

Wasserstoff stresst Werkstoffe deutlich intensiver als etwa Erdgas. Die Beimischung von Wasserstoff zu fossilen Kraftstoffen ist jedoch ein wichtiger Schritt zur Dekarbonisierung von Verbrennungsprozessen in Großmotoren oder Gasturbinen. Forschende am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM haben ein Verfahren entwickelt, das diese Effekte unter praxisnahen Bedingungen untersucht, teilte das Institut am 25. März mit. Im Fokus steht die thermomechanische Ermüdung, die maßgeblich die Lebensdauer von Komponenten bestimmt.

Die Nutzung von Wasserstoff als Beimischung oder perspektivisch als alleiniger Brennstoff gilt als Ansatz zur Reduktion von CO2-Emissionen in bestehenden Anlagen. Gleichzeitig steigt der Bedarf an flexiblen Kraftwerkskapazitäten, um schwankende Einspeisung aus erneuerbaren Energien auszugleichen.

Mit zunehmender Wasserstoffkonzentration verändern sich jedoch die Werkstoffeigenschaften. Wasserstoff diffundiert in Metalle und beeinflusst deren Ermüdungsverhalten. Dies führt zu konservativen Auslegungen, höheren Materialkosten und aufwendigen Bauteiltests. Betreiber und Hersteller benötigen daher belastbare Daten zur Lebensdauer unter realen Betriebsbedingungen.

Hohlproben ermöglichen kombinierte Belastungstests

Konventionelle Prüfmethoden stoßen hier nach Auskunft der Forschenden an Grenzen, da sich hohe Temperaturen und Wasserstoffdruck nicht gleichzeitig in geschlossenen Prüfsystemen abbilden lassen. Das Fraunhofer IWM setzt deshalb auf Hohlproben. 

Bei diesem Ansatz strömt Wasserstoff durch eine Bohrung im Inneren der Probe, während außen thermische und mechanische Lasten aufgebracht werden. Temperaturwechsel, Zug- und Druckzyklen sowie Wasserstoffdruck lassen sich unabhängig variieren. Dadurch entstehen Versuchsbedingungen, die reale Einsatzszenarien in Turbinen und Motoren abbilden, teilte das Fraunhofer IWM dazu mit.

Versuche zeigen, dass sich sowohl konstante als auch wechselnde Temperaturen untersuchen lassen. Die Methode liefert damit Daten für unterschiedliche Betriebszustände. Die Ergebnisse der Versuche umfassen Spannungen, Dehnungen und Lebensdauerdaten. Sie dienen als Grundlage für die Werkstoffauswahl und die Auslegung von Bauteilen. Konstrukteure können damit die Balance zwischen Sicherheitsreserven und erwarteter Lebensdauer bestimmen.

Zudem fließen die Daten in Werkstoffmodelle ein, die in Bauteilsimulationen genutzt werden. Damit lassen sich wasserstoffbedingte Einflüsse auf das Lebensdauerverhalten in Abhängigkeit von Druck und Belastung quantifizieren.

Das Verfahren ermöglicht laut den Forschenden damit eine schnellere und wirtschaftlichere Bewertung von Werkstoffen im Wasserstoffbetrieb. Damit entstehen belastbare Entscheidungsgrundlagen für die Weiterentwicklung von Verbrennungsanlagen im Zuge der Dekarbonisierung.