100-mal schnellere Risse durch Wasserstoff: Fraunhofer berechnet Lebensdauer von Turbinen
Wasserstoff soll Gaskraftwerke und Triebwerke klimaneutral machen, doch das Gas macht Metalle spröde und kann Risswachstum um das Hundertfache beschleunigen. Das Fraunhofer IWM kann die Lebensdauer betroffener Bauteile jetzt physikalisch berechnen.
Die Prüfanlage am Fraunhofer IWM simuliert die Extrembedingungen einer Gasturbine – Temperaturwechsel, mechanische Last und Wasserstoffdruck gleichzeitig.
Foto:
Foto: Kai Wudtke/Fraunhofer IWM
Wasserstoff soll Gaskraftwerke klimaneutral machen. Am 8. September steht der erste von zwei für 2026 geplanten Gebotsterminen für insgesamt 9 GW neue Langzeitkapazitäten an. So sieht es das im Juli verabschiedete StromVKG vor. Gaskraftwerke, die einen Zuschlag erhalten und zunächst Erdgas einsetzen, müssen ‚H₂-ready‘ gebaut werden, also später auf 100 % Wasserstoff umrüstbar sein.
Doch das kleinste Atom der Welt hat eine destruktive Eigenschaft: Es dringt in bestimmte Metalle ein und macht sie spröde. Risse wachsen unter Wasserstoffeinfluss laut dem Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM um das Hundertfache schneller, teils mehr.
Wie lange ein Bauteil das aushält, ließ sich nach Angaben der Freiburger Forschenden bisher nur grob abschätzen. Hersteller legen ihre Komponenten deshalb mit hohen Sicherheitsfaktoren aus. Das kostet Material und Geld. Das IWM hat deshalb nun ein Simulationsmodell vorgestellt, das die Lebensdauer wasserstoffbelasteter Bauteile erstmals physikalisch begründet berechnen soll. Für Turbinen in Kraftwerken und Flugzeugen könnte das die Entwicklung deutlich beschleunigen.
Inhaltsverzeichnis
- Warum sich die Lebensdauer bisher kaum vorhersagen ließ
- Wie das neue Modell rechnet
- "Jedes Szenario experimentell abdecken"
- Wie das IWM das Modell prüft
- Was Wasserstoff mit Metall anrichtet
- Checkliste für den Umstieg
- Grundlagenforschung auf atomarer Ebene
- Wie die Industrie mit Wasserstoffversprödung umgeht
- Was das für H₂-ready-Kraftwerke bedeutet
Warum sich die Lebensdauer bisher kaum vorhersagen ließ
Bevor ein sichtbarer Schaden in einem Turbinenbauteil entsteht, bilden sich im Werkstoff winzige Risse von etwa 20 µm, die langsam bis zum sogenannten technischen Anriss von rund 1 mm wachsen. Diese Phase macht laut dem Fraunhofer IWM bis zu 90 % der tatsächlichen Bauteillebensdauer aus. Fachleute sprechen von Kurzzeitfestigkeit, englisch: Low Cycle Fatigue (LCF).
Bei diesen kurzen Rissen wird Wasserstoff zum Problem. Er kann das Wachstum dieser kurzen Risse um Faktor 100 und mehr beschleunigen, schreibt das IWM. Wie stark, hänge von vielen Größen gleichzeitig ab, darunter:
- Wasserstoffdruck
- Gasreinheit
- Temperatur
- Oberflächenzustand
- mechanische Belastung
Ihr Zusammenwirken lässt sich nicht in einem einzelnen Versuch abbilden. Wer eine Turbine qualifizieren will, muss deshalb viele teure Experimente durchführen.
Klassische bruchmechanische Berechnungen helfen laut dem Fraunhofer IWM nur bedingt weiter. Sie fielen häufig zu konservativ aus und lieferten zu geringe Lebensdauern. In der Folge legten Hersteller ihre Bauteile mit hohen Sicherheitsfaktoren aus; die Folge waren laut dem IWM mehr Material, Gewicht und Kosten als nötig.
Wie das neue Modell rechnet
Das Simulationsmodell des Fraunhofer IWM bildet ab, wie kurze Risse unter Wasserstoffeinfluss von etwa 20 µm bis zur kritischen Marke von 1 mm wachsen. Im Zentrum steht der sogenannte HELP-Effekt (Hydrogen Enhanced Localized Plasticity): Wasserstoffatome wandern zur Rissspitze und sammeln sich dort an winzigen Baufehlern im Metallgitter, den sogenannten Versetzungen.
Diese Baufehler sind es, die Metall überhaupt verformbar machen. Sie verschieben sich unter Last durchs Gitter. Der Wasserstoff macht sie beweglicher, das Material gibt an der Rissspitze leichter nach und der Riss frisst sich schneller voran. Oberhalb von 400 °C rechnet das Modell zusätzlich ein, dass Sauerstoff entlang der Korngrenzen ins Metall eindringt und den Werkstoff weiter schwächt.
„Jedes Szenario experimentell abdecken“
Weil das Modell auf diesen physikalischen Zusammenhängen beruht statt auf Erfahrungswerten, kann es Betriebsbedingungen durchspielen, die im Prüfstand kaum zu erreichen sind. „Es ist in der Regel nicht machbar, jedes mögliche Szenario experimentell abzudecken. Unser Simulationsmodell ist in der Lage, diese Komplexität mathematisch zu erfassen und die Lebensdauer selbst unter extremen Betriebsbedingungen zuverlässig abzuschätzen“, sagt Projektleiter Fabien Ebling. Hersteller könnten damit durchrechnen, welche Drücke und Temperaturen ein Bauteil verträgt, bevor der erste Prototyp existiert.
Das Modell ist aber noch nicht fertig. Es beschreibt bislang nur den HELP-Mechanismus; andere bekannte Schädigungswege, etwa dass Wasserstoff den Zusammenhalt der Metallatome direkt löst (Dekohäsion), fehlen noch, ließen sich laut IWM aber ergänzen. Außerdem braucht die Rechnung Daten: Kennwerte des Werkstoffs, etwa wie steif er ist und ab welcher Last er sich bleibend verformt, dazu wasserstoffspezifische Größen wie die Geschwindigkeit, mit der das Gas ins Metall eindringt. Beides lässt sich laut Ebling mit wenigen Versuchen bestimmen oder näherungsweise der Literatur entnehmen.
Wie das IWM das Modell prüft
Ob die Rechnung stimmt, überprüfen die Freiburger mit einem selbstentwickelten Prüfverfahren. Den Kern bilden sogenannte Hohlproben, Werkstoffproben mit einer feinen Bohrung im Inneren.
Vor dem Versuch wird der Hohlraum mit Druckwasserstoff bei bis zu 250 bar beladen. Während der Wasserstoff von innen in den Werkstoff diffundiert, belastet die Prüfmaschine die Probe von außen mit Temperaturen von bis zu 1000 °C und wechselnder Zug-Druck-Last. Die Belastungsfaktoren lassen sich laut IWM unabhängig voneinander einstellen und beliebig kombinieren.
Die Methode soll ein altes Problem der Wasserstoffprüfung lösen. In herkömmlichen Druckkammern vertragen sich hohe, schnell wechselnde Temperaturen nicht mit dem reaktiven Druckwasserstoff. Der Versuch wäre daher nicht sicher zu kontrollieren.
Bei der Hohlprobe steckt das Gas dagegen in einem winzigen Volumen im Probeninneren. Insgesamt decken die Freiburger Prüfstände nach eigenen Angaben Temperaturen von -196 °C bis 1000 °C ab, im Autoklavenprüfstand zudem Wasserstoffdrücke bis 1000 bar. Die Messdaten aus diesen Versuchen dienen dazu, das Simulationsmodell zu kalibrieren und zu validieren.
Was Wasserstoff mit Metall anrichtet
Warum kann Wasserstoff überhaupt so tief in Metalle eindringen? Wegen seiner Winzigkeit. Gelangt atomarer Wasserstoff ins Metallgitter, gibt er sein Elektron ab und bewegt sich als Proton zügig durch die Kristallstruktur, wo andere Gase keinen Zugang finden. Bevorzugt lagern sich die Atome an Korngrenzen und Fehlstellen ab. Konzentrieren sie sich dort, stören sie die Bindung zwischen den Metallatomen. Eine mögliche Folge ist Dekohäsion: Wasserstoff schwächt lokal den Zusammenhalt der Metallatome und erleichtert so die Rissbildung.
„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 6000 m pro Sekunde ausbreiten. Duktiles, also verformbares Metall wird spröde und bricht irgendwann plötzlich, ohne Vorwarnung. Fachleute nennen das Phänomen Wasserstoffversprödung. Wichtig dabei ist, dass nicht alle Metalle gleich anfällig sind. Die Gefahr hängt vom Werkstoff, seinen Legierungselementen und seiner Gitterstruktur ab; für gefährdete Komponenten existieren in der Regel widerstandsfähige Alternativen.
Checkliste für den Umstieg
Wo der Wasserstoff im Kraftwerk unterwegs ist, entscheidet darüber, welche Bauteile von Versprödung betroffen sein können. Sein Weg führt vom Anschlusspunkt am Kraftwerkszaun über Rohrleitungen, Ventile und Mischstationen bis in die Brenner der Gasturbine. Dort wird er vollständig verbrannt. In den heißen Turbinenstufen dahinter, wo die Schaufeln bei über 1000 °C rotieren, kommt kein molekularer Wasserstoff mehr an, sondern nur noch Abgas mit erhöhtem Wasserdampfanteil.
Für den Umstieg von Erdgas auf Wasserstoff ergeben sich dennoch mehrere Herausforderungen:
- Seine Flammengeschwindigkeit ist rund zehnmal höher als die von Erdgas. Es besteht die Gefahr sogenannter Flammenrückschläge. Dabei läuft die Flamme zurück in den Brenner und kann ihn beschädigen. Deshalb müssen Brenner und Verbrennungssystem auf den Wasserstoffbetrieb angepasst werden. Wie groß der Umbau de facto ausfällt, hängt dabei von der Turbine und dem verwendeten Wasserstoffanteil ab.
- Durch seine geringe Molekülgröße findet Wasserstoff seinen Weg durch Dichtungen und Flansche, die für Erdgas problemlos funktionieren. Dichtungen und Flansche, die mit dem Gas in Kontakt kommen, müssen auf Wasserstofftauglichkeit geprüft werden.
Grundlagenforschung auf atomarer Ebene
Welche weiteren Schädigungswege künftig in solche Modelle einfließen müssen, untersucht unter anderem das Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien in Düsseldorf. Forschende um den Werkstoffwissenschaftler Baptiste Gault kartieren dort mit einer sogenannten Atomsonde nadelförmige Proben Atom für Atom in 3D. Sie wollen herausfinden, an welchen Stellen im Kristallgitter sich der Wasserstoff ansiedelt und welche Legierungselemente ihn unschädlich machen könnten. Von dem Maschinentyp existieren weltweit nur wenige Exemplare.
Erst im August meldete das Düsseldorfer Institut einen Fund: Ein Team um Postdoktorand Xizhen Dong stieß in Nickelbasis-Superlegierungen auf einen bislang wenig beachteten Schadensweg. Bei 400 °C kann Wasserstoff dort Karbide angreifen, wobei im Metall lokal Methan entsteht, das Grenzflächen schwächt und Risse begünstigt. Ob reale Turbinen von diesem Laborbefund betroffen sind, ist allerdings offen.
Auch andernorts wird an den Grundlagen gearbeitet. Das BMBF-Programm „H2Mat“ untersucht mit Neutronenstreuung, wie Wasserstoff in Legierungen eindringt. Neue Materialansätze gibt es ebenfalls, etwa eine stickstoffhaltige Edelstahllegierung, die die Wasserstoffdiffusion an den Korngrenzen bremst.
Wie die Industrie mit Wasserstoffversprödung umgeht
Auch die Turbinenhersteller treiben die Entwicklung voran. Siemens Energy etwa arbeitet im Forschungsprojekt H2BED mit mehreren Instituten daran, seine Turbinen der Klassen F, H und HL für hohe Wasserstoffanteile fit zu machen. Dabei werden nicht nur neue Brennerkonzepte entwickelt, sondern auch die Auswirkungen von Wasserstoff auf die Werkstoffe und von Wasserdampf auf die keramischen Wärmedämmschichten der Schaufeln untersucht. Schon heute vertreibt das Unternehmen mehrere Turbinentypen, die einen Wasserstoffanteil von 30 bis 75 Vol.-% nutzen können. Dass Gasturbinen ein Wachstumsfeld für den Konzern sind, zeigte die angekündigte Milliardeninvestition in den Ausbau seiner US-Fertigungskapazitäten.
Das Problem der Wasserstoffversprödung löst der Hersteller durch die Werkstoffwahl. Siemens Energy nimmt nach eigener Auskunft für alle wasserstoffführenden Komponenten ausschließlich Werkstoffe, die nicht verspröden. Dabei kommen dem Unternehmen seine Erfahrungen aus dem Betrieb von Gasturbinen mit sogenannten Syngasen aus der Kohle- und Ölvergasung zugute, die ebenfalls bis zu 50 % Wasserstoff enthalten.
Die Lebensdauer der eingesetzten Werkstoffe übersteige die geplante Betriebsdauer der Gesamtanlagen bei weitem, heißt es von Siemens Energy. Eine gesonderte Überwachung auf Versprödung im laufenden Betrieb sei daher nicht notwendig. Wo es Lücken in den internen Materialdatenbanken gibt, arbeite man mit externen Forschungspartnern zusammen.
Was das für H₂-ready-Kraftwerke bedeutet
Deutschland hat mit dem StromVKG den Rahmen für neue Gaskraftwerke geschaffen. Die Turbinen, die jetzt bestellt werden, laufen zunächst mit Erdgas und allenfalls einer Wasserstoffbeimischung; ob sie später mit 100 Vol.-% Wasserstoff betrieben werden können, hängt nicht zuletzt von den Werkstoffen und ihrer Qualifizierung ab.
Das Fraunhofer IWM liefert dafür jetzt ein Prüfverfahren und ein Rechenmodell, entstanden übrigens in Förderprojekten des Bundeswirtschaftsministeriums zu wasserstoff-elektrischen Flugzeugantrieben. Die ersten Maschinen, die über Tausende Betriebsstunden mit reinem Wasserstoff laufen, werden wohl der Lackmustest für die Simulationen aus Freiburg.
Ein Beitrag von:
