Grüner Wasserstoff frisst Turbinen: Das verdrängte Problem der Energiewende
Wasserstoff soll Gaskraftwerke klimaneutral machen, doch er zerstört die Werkstoffe der Turbinen. Fraunhofer-Forschende wollen das Problem mit einem neuen Verfahren angehen.
Eine Werkstoffprobe glüht bei bis zu 900 °C in der Prüfmaschine des Fraunhofer IWM. Unter diesen Extrembedingungen testen die Freiburger Forschenden, wie Wasserstoff Turbinenwerkstoffe angreift.
Foto: Fraunhofer IWM/Kai-Uwe Wudtke
Als Ersatz für Erdgas soll Wasserstoff Gaskraftwerke klimaneutral machen. Die Bundesregierung sieht in den Mitte Januar vereinbarten Eckpunkten ihrer Kraftwerksstrategie bis zu 12 GW neuer Gaskraftwerksleistung vor, mindestens 10 GW davon „H₂-ready“.
Doch so klimafreundlich das kleinste Atom der Welt auch sein mag: Es besitzt eine destruktive Eigenschaft. Denn Wasserstoff dringt in Metall ein und macht es spröde. Gerade Gasturbinen leiden besonders unter der sogenannten Wasserstoffversprödung – ein großes, aber nur allzu gerne übersehenes Problem der Energiewende.
Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg hat jetzt ein Prüfverfahren entwickelt, mit dem sich nach Angaben der Forschenden erstmals realistisch testen lässt, wie lange Turbinenwerkstoffe dem Wasserstoff standhalten.
Inhaltsverzeichnis
- Das Problem bei der Turbinenwerkstoffsprüfung
- Warum Hohlproben das Problem lösen
- Wie Werkstoffe die Effizienz erhöhen
- Was Wasserstoff mit Metall anrichtet
- Warum Turbinen besonders betroffen sind
- Noch gibt es keine reinen H2-Turbinen
- Die Industrie arbeitet parallel an Lösungen
- Warum die Antwort über die Energiewende entscheidet
Das Problem bei der Turbinenwerkstoffsprüfung
Die Prüfmethode des Fraunhofer IWM reagiert auf ein Desiderat der Wasserstofftechnik. Das Problem: Wer wissen will, wie sich Wasserstoff auf Turbinenwerkstoffe auswirkt, muss drei Belastungen gleichzeitig simulieren:
- Wasserstoffdruck
- extreme Temperaturwechsel
- mechanische Zug-Druck-Last
In herkömmlichen Wasserstoff-Druckkammern ist das nicht möglich, weil sich die hohen und wechselnden Betriebstemperaturen nicht mit dem Druckwasserstoff vertragen. Denn dessen Druck und Reaktivität lassen sich bei Temperaturen von bis zu 900 °C und schnellen Temperaturwechseln in einer geschlossenen Kammer nicht mehr sicher kontrollieren.
Warum Hohlproben das Problem lösen
Die Freiburger Lösung sind sogenannte Hohlproben. Dabei handelt es sich um Materialproben aus echtem Turbinenwerkstoff mit einer feinen Bohrung im Inneren.
Vor dem Versuch wird der Hohlraum mit Druckwasserstoff bei bis zu 250 bar beladen. Während des Tests diffundiert der Wasserstoff in den Werkstoff, während die Probe von außen mit den thermomechanischen Bedingungen einer echten Turbine beaufschlagt wird, also Temperaturen von bis zu 900 °C.
Laut dem Fraunhofer IWM lassen sich alle drei Belastungsfaktoren unabhängig voneinander variieren und in beliebigen Kombinationen testen. In aktuellen Versuchen konnten die Forschenden laut einer Mitteilung vom 25. März zeigen, dass die Hohlproben sowohl bei gleichbleibender Temperatur als auch bei wechselnden Temperaturen zuverlässige Ergebnisse liefern. Mit anderen Worten unter genau den Bedingungen, denen eine Turbine im Dauerbetrieb und beim An- und Abfahren begegnet.
Wie Werkstoffe die Effizienz erhöhen
Die so gewonnenen Daten zu Spannung, Dehnung und Lebensdauer fließen in Werkstoffmodelle ein, die für Bauteilsimulationen zum Einsatz kommen. So lässt sich laut den Forschenden erstmals genau berechnen, welche Werkstoffe für dekarbonisierte Verbrennungsprozesse in Wasserstoffturbinen am effizientesten sind. Darüber hinaus können die Freiburger nun beziffern, welche Abschläge bei der Lebensdauer auf das Konto der H2-Nutzung gehen.
Bisher mussten Hersteller ihre Turbinen laut den Fraunhofer-Forschern konservativ auslegen, teurere Werkstoffe einsetzen oder aufwendige Bauteilversuche durchführen. Das Freiburger Verfahren soll diese Kosten senken und zugleich die Sicherheit erhöhen.
Was Wasserstoff mit Metall anrichtet
Aber warum ist das überhaupt nötig? Als kleinstes und leichtestes Element im Universum gelangt atomarer Wasserstoff leicht ins Metallgitter und gibt dort sein Elektron ab. Fortan bewegt er sich als winziges Proton durch die Kristallstruktur und gelangt an Stellen, zu denen andere Gase keinen Zugang finden. Trotz jahrzehntelanger Forschung sei in vielen Fällen nicht bekannt, wohin der Wasserstoff im Metallgitter genau wandere, warnte Baptiste Gault bereits 2021 in den VDI nachrichten.
Dort sammeln sich die Atome bevorzugt an Korngrenzen und Fehlstellen an. Wenn sie sich lokal aufkonzentrieren, stören sie die metallische Bindung zwischen den Metallatomen und sorgen für das, was Werkstoffwissenschaftler Dekohäsion nennen: Die Atome verlieren den Kontakt zueinander.
Die Rissfront kann sich mit Geschwindigkeiten bis zu 6.000 m pro Sekunde ausbreiten. Duktiles, verformbares Metall bricht ohne Vorwarnung ab.
Warum Turbinen besonders betroffen sind
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 wasserstofffähigen Gaskraftwerken, von denen die Bundesregierung in den kommenden Jahren Dutzende ausschreiben will. Ob das gelingt, hängt nicht nur von der Verfügbarkeit des Energieträgers ab, sondern insbesondere davon, ob das Turbinenmaterial dem neuen Brennstoff standhält.
Kraftwerks-Gasturbinen gehören zu den am stärksten beanspruchten Maschinen überhaupt. Ihre Schaufeln rotieren unter enormen 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.
Noch gibt es keine reinen H2-Turbinen
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 extrem gefährdet.
Aufgrund all dieser Herausforderungen fasste ein Hintergrundpapier der Deutschen Umwelthilfe die Lage im Dezember 2024 so zusammen:
Für einen dauerhaften Betrieb mit reinem Wasserstoff sind aktuell keine marktreifen Turbinen verfügbar; bestehende Modelle können lediglich eine begrenzte Menge H₂ beimischen, was den Dekarbonisierungseffekt stark einschränkt.
Zwischen erster Wasserstoffaufnahme und tatsächlichem Materialversagen können Monate oder sogar Jahre liegen, doch genau das macht die Versprödung so heimtückisch. Die entscheidende Frage ist, ob und wie stark sich die Lebensdauer bei Wasserstoffbetrieb verkürzt.
Die Industrie arbeitet parallel an Lösungen
Angesichts des enormen Marktpotenzials lassen sich einige Turbinenhersteller nicht von der Entwicklung abhalten. Siemens Energy etwa arbeitet im Forschungsprojekt H2BED gemeinsam mit mehreren Instituten daran, seine Turbinen der Klassen F, H und HL für hohe Wasserstoffanteile auszulegen. Dabei werden nicht nur neue Brennerkonzepte entwickelt, sondern auch die Auswirkungen von Wasserstoff auf die Werkstoffe untersucht. Dass der Konzern das Thema Gasturbinen insgesamt für ein Wachstumsfeld hält, zeigt auch eine jüngst angekündigte Milliardeninvestition in den Ausbau seiner US-Fertigungskapazitäten.
Am Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf versuchen Forschende um Gault derweil auf atomarer Ebene zu verstehen, was genau im Werkstoff passiert. Mit einer sogenannten Atomsonde – einem seltenen Maschinentyp, von dem es weltweit nur wenige Exemplare gibt – werden nadelförmige Proben Atom für Atom abgetragen und dreidimensional kartiert. Ziel ist, herauszufinden, an welchen Stellen im Kristallgitter sich der Wasserstoff ansiedelt und welche Legierungselemente ihn unschädlich machen könnten.
Warum die Antwort über die Energiewende entscheidet
Für das verdrängte Problem der Energiewende liefert das neue Verfahren des Fraunhofer IWM zwar keine Lösung, aber doch einen Weg, neue Entscheidungen zu treffen: Welche Werkstoffe eignen sich? Wie oft muss gewartet werden? Wie lange hält eine Turbine im Wasserstoffbetrieb? Mit den Antworten auf diese Fragen lässt sich seriös kalkulieren, was die Umstellung auf Wasserstoff in der Praxis kostet.
Denn klar ist: Die Energiewende braucht Gasturbinen. Und Gasturbinen brauchen Materialien, die Wasserstoff aushalten. Ohne diese Materialien bleiben „H₂-ready“-Gaskraftwerke ein theoretisches Konzept für die (ferne) Zukunft.
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