Neue Gaskraftwerke: Wie schaffen Turbinen den Wasserstoff?
Wasserstoff macht Turbinenstahl 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 Metall ein und macht es spröde. Gerade Gasturbinen sind davon betroffen. Allerdings sind 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.
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
- Grundlagenforschung auf atomarer Ebene
- Wie die Industrie das Problem angeht
- 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? 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 – dorthin, 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.
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 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.
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.
Grundlagenforschung auf atomarer Ebene
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.
Auch international wird intensiv an dem Problem gearbeitet: Das BMBF-Programm „H2Mat“ untersucht mit Neutronenstreuung, wie Wasserstoff in Superlegierungen eindringt. Und selbst ganz neue Materialansätze werden untersucht, etwa eine stickstoffhaltige Edelstahllegierung, die die Wasserstoffdiffusion an den Korngrenzen bremst.
Wie die Industrie das Problem angeht
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 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 Turbinenwerkstoffe übersteige die geplante Betriebsdauer der Gesamtanlagen bei weitem, so Siemens Energy. Eine gesonderte Überwachung auf Versprödung im laufenden Betrieb sei daher nicht notwendig. Wo es Lücken in den internen Materialdatenbanken gibt, arbeitet 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 jetzt ein praxisnahes 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.
Ein Beitrag von:
