Neue Gaskraftwerke: Wie schaffen Turbinen den Wasserstoff?
Wasserstoff macht manche Stähle spröde – eine Herausforderung für neue Gaskraftwerke. Wie Forschende und Industrie das Problem angehen.
Prüfung einer mit Wasserstoff beladenen Hohlprobe unter thermomechanischer Belastung. Zwischen erster Wasserstoffaufnahme und Materialversagen können Monate oder Jahre liegen.
Foto: Kai Wudtke/Fraunhofer IWM
Wasserstoff soll Gaskraftwerke klimaneutral machen. Das Bundeskabinett hat am 13. Mai den Gesetzentwurf zum Strom-Versorgungssicherheits- und Kapazitätengesetz (StromVKG) beschlossen – die gesetzliche Umsetzung der Kraftwerksstrategie. Noch 2026 sollen die ersten Ausschreibungen für insgesamt 9 GW neuer steuerbarer Kraftwerksleistung starten – erdgasbetrieben, aber potenziell wasserstofftauglich, im Fachjargon: „H₂-ready“.
Doch so klimafreundlich das kleinste Atom der Welt auch sein mag: Es besitzt eine destruktive Eigenschaft: Wasserstoff dringt in bestimmte Metalle ein und macht sie spröde. In einem Wasserstoffkraftwerk betrifft das potenziell alle Komponenten, die mit dem Gas in Kontakt kommen – von Rohrleitungen über Ventile bis zum Brennstoffsystem der Turbine. Allerdings sind Forschung und Industrie nicht untätig: Das Fraunhofer IWM in Freiburg hat ein Prüfverfahren entwickelt, um die Auswirkungen realistischer zu testen. Und Turbinenhersteller wie Siemens Energy setzen auf gezielte Werkstoffauswahl.
Inhaltsverzeichnis
- Das Problem bei der Turbinenwerkstoffsprüfung
- Warum Hohlproben das Problem lösen
- Wie Werkstoffe die Effizienz erhöhen
- Was Wasserstoff mit Metall anrichtet
- Wo Wasserstoff im Kraftwerk zum Problem werden kann
- Checkliste für den Umstieg
- Grundlagenforschung auf atomarer Ebene
- Wie die Industrie mit Wasserstoffversprödung umgeht
- 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: Die Prüfmethode des Fraunhofer IWM reagiert auf ein Desiderat der Wasserstofftechnik. Das Problem: Wer wissen will, wie sich Wasserstoff auf Werkstoffe in Verbrennungsmaschinen 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 Stahlproben mit einer feinen Bohrung im Inneren. Sie sind einer von mehreren Ansätzen, Werkstoffe unter Wasserstoffatmosphäre zu prüfen, und noch nicht Teil einer Norm. In der Industrie werden die Ergebnisse derzeit mit anderen Methoden verglichen, etwa mit Versuchen in wasserstoffgefüllten Autoklaven.
Die Hohlproben-Methode funktioniert so: 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 Temperaturen von bis zu 900 °C und mechanischer Zug-Druck-Last belastet wird. Die Methode deckt damit ein breites Spektrum an Einsatzbedingungen ab: vom Brennstoffsystem einer Gasturbine bis zum Wasserstoff-Großmotor, bei dem der Brennstoff direkt in den heißen Zylinder eingedüst wird.
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.
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 genauer berechnen, welche Werkstoffe für dekarbonisierte Verbrennungsprozesse 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 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? Wasserstoff ist das kleinste und leichteste Element im Universum. Genau das macht ihn so tückisch. Gelangt atomarer Wasserstoff ins Metallgitter, gibt er sein Elektron ab und kann sich als winziges Proton zügig durch die Kristallstruktur bewegen, wo andere Gase keinen Zugang finden.
Dort lagern sich die Atome bevorzugt an Korngrenzen und Fehlstellen ab. 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.
„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. Fachleute nennen dieses Phänomen Wasserstoffversprödung.
Wichtig dabei: Nicht alle Metalle sind gleich anfällig. Die Versprödungsgefahr hängt vom jeweiligen Werkstoff, seinen Legierungselementen und seiner Gitterstruktur ab; für gefährdete Komponenten existieren in der Regel widerstandsfähige Werkstoffalternativen.
Wo Wasserstoff im Kraftwerk zum Problem werden kann
Das Phänomen 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 Gaskraftwerke, von denen die Bundesregierung in den kommenden Jahren Dutzende ausschreiben will. Ob das gelingt, hängt nicht nur von der Verfügbarkeit des Energieträgers ab, sondern auch davon, ob die eingesetzten Materialien dem neuen Brennstoff standhalten.
Dabei ist wichtig zu verstehen, wo der Wasserstoff im Kraftwerk überhaupt unterwegs ist: vom Anschlusspunkt am Kraftwerkszaun über Rohrleitungen, Ventile und Mischstationen bis in die Brenner der Gasturbine. Dort wird er verbrannt – und zwar vollständig.
In den heißen Turbinenstufen dahinter, wo die Schaufeln bei über 1.000 °C rotieren, kommt kein molekularer Wasserstoff mehr an, sondern nur noch Abgas mit erhöhtem Wasserdampfanteil. Das unterscheidet die Gasturbine übrigens vom Wasserstoff-Verbrennungsmotor, bei dem der Brennstoff direkt in den heißen Zylinder eingedüst wird.
Checkliste für den Umstieg
Für den Umstieg von Erdgas auf Wasserstoff ergeben sich dennoch mehrere Herausforderungen:
- Wasserstoff verbrennt anders. 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 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. Dichtungen und Flansche, die mit dem Gas in Kontakt kommen, müssen auf Wasserstofftauglichkeit geprüft werden.
- Wasserstoff kann anfällige Materialien verspröden. Das betrifft alle brennstoffführenden Komponenten vom Kraftwerkszaun bis zum Brenner: Rohrleitungen, Ventile, Verdichter, das Brennstoffversorgungssystem der Turbine. Hier entscheidet die Werkstoffauswahl darüber, ob Versprödung zum Thema wird oder nicht.
Grundlagenforschung auf atomarer Ebene
Am Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf versuchen Forschende um den Werkstoffwissenschaftler Baptiste 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.
Auch international wird an dem Problem gearbeitet: Das BMBF-Programm „H2Mat“ untersucht mit Neutronenstreuung, wie Wasserstoff in Legierungen eindringt. Und selbst ganz neue Materialansätze werden untersucht, etwa eine stickstoffhaltige Edelstahllegierung, die die Wasserstoffdiffusion an den Korngrenzen bremst.
Wie die Industrie mit Wasserstoffversprödung umgeht
Auch die Turbinenhersteller selbst 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, zeigt eine jüngst angekündigte Milliardeninvestition in den Ausbau seiner US-Fertigungskapazitäten.
Das Problem der Wasserstoffversprödung löst der Hersteller auf die denkbar einfachste Art: Siemens Energy wählt 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; unter anderem im Projekt H2BED auch mit Fraunhofer-Instituten.
Warum die Antwort über die Energiewende entscheidet
Deutschland hat mit dem 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.
Das Fraunhofer IWM liefert dafür ein neues Prüfverfahren. Hersteller wie Siemens Energy setzen auf eine bewährte Werkstoffauswahl und jahrzehntelange Betriebserfahrung. Beide Ansätze verfolgen dasselbe Ziel: sicherzustellen, dass die Turbinen der Kraftwerksstrategie nicht nur H₂-ready gebaut, sondern irgendwann auch H₂-fähig betrieben werden können. Ob das gelingt, wird sich zeigen, wenn die ersten Maschinen über Tausende Betriebsstunden mit reinem Wasserstoff laufen.
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