150 bar Wasserstoff: Warum die Energiewende neue Dichtungstests braucht
Wasserstoff kann in Elastomere eindringen und bei Druckwechseln Risse auslösen. Neue Tests bis 150 bar sollen geeignete Dichtungswerkstoffe finden.
In einem Hochdruck-Prüfbehälter untersucht OPR Polymerwerkstoffe unter verschiedenen Gasatmosphären. Der neue Prüfbereich ermöglicht Versuche unter anderem mit Wasserstoff bei Drücken bis 150 bar.
Foto: OPR Group GmbH
Beim Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft geht es meist um Elektrolyseure, Speicher und kilometerlange Pipelines. Doch damit Wasserstoff tatsächlich dort bleibt, wo er hingehört, müssen auch deutlich unscheinbarere Bauteile funktionieren: Dichtungen, Membranen oder Ventile aus beziehungsweise mit Polymerwerkstoffen. Gerade bei hohem Druck kann Wasserstoff diese Materialien vor besondere Herausforderungen stellen.
Wie groß der Prüfbedarf inzwischen ist, zeigt eine neue Anlage der OPR Group im baden-württembergischen Ilsfeld. Seit Juli 2026 betreibt das Prüfinstitut dort einen explosionsgeschützten Bereich für Materialtests unter Gasatmosphäre. Elastomere und Thermoplaste können darin bei Drücken bis 150 bar unter anderem Wasserstoff, Propan, Ammoniak und Sauerstoff ausgesetzt werden. Nach Angaben des Unternehmens reagieren die erweiterten Kapazitäten auf eine steigende Nachfrage aus Industrie und Energietechnik.
Inhaltsverzeichnis
Wasserstoff kann in Elastomere eindringen
Bei Dichtungen aus Elastomeren reicht es nicht, dass sie einem bestimmten Druck mechanisch standhalten. Entscheidend ist auch, wie das Material mit dem jeweiligen Gas wechselwirkt.
Wasserstoff stellt hier besondere Anforderungen. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) weist darauf hin, dass Wasserstoffmoleküle aufgrund ihrer geringen Größe in Werkstoffe eindringen können. Polymere werden zugleich an vielen Stellen der Wasserstofftechnik benötigt – etwa für Dichtungen, Leitungen, Ventile oder Membranen in Elektrolyseuren, Speichern, Pipelines und Brennstoffzellen.
Das bedeutet allerdings nicht, dass Wasserstoff automatisch jede Dichtung zerstört oder unmittelbar nach außen entweicht. Entscheidend sind der konkrete Werkstoff, seine Zusammensetzung und die Betriebsbedingungen.
Ein wichtiger Vorgang ist die Permeation. Dabei löst sich Gas im Polymer und wandert durch das Material. Wie stark dieser Effekt ausfällt, hängt unter anderem vom Werkstoff, von Druck und Temperatur sowie vom Aufbau des Bauteils ab.
Gerade deshalb ist die Bezeichnung eines Elastomers allein noch keine Garantie für seine Wasserstoffeignung. Auch die genaue Rezeptur – beispielsweise Füllstoffe oder Weichmacher – beeinflusst die Eigenschaften.
Gefährlich kann ein schneller Druckabfall werden
Besonders kritisch können starke Druckwechsel sein. Die BAM untersucht deshalb unter anderem die sogenannte schnelle Gasdekompression, international häufig als Rapid Gas Decompression bezeichnet.
Das Problem entsteht nicht während des Druckaufbaus, sondern kann sich beim anschließenden Entspannen zeigen. Unter hohem Druck dringt Wasserstoff in einen Elastomerwerkstoff ein. Sinkt der Außendruck plötzlich, kann der zuvor aufgenommene Wasserstoff nicht zwangsläufig ebenso schnell wieder aus dem Material entweichen.
Nach Angaben der BAM kann sich das Gas dann in vorhandenen Hohlräumen sammeln. Das Material quillt lokal auf, Mikrodefekte und Risse können entstehen. Im ungünstigen Fall verliert die Dichtung schließlich ihre abdichtende Funktion.
Damit wird der Druckwechsel selbst zu einer Belastung. Das ist beispielsweise für Anwendungen relevant, bei denen Wasserstoffsysteme regelmäßig befüllt, entleert oder zwischen unterschiedlichen Druckniveaus betrieben werden.
Die BAM hat deshalb im europäischen Forschungsprojekt Polymer4Hydrogen verschiedene modifizierte Elastomerwerkstoffe untersucht. In ihren Hochdruckautoklaven können Materialien Wasserstoffdrücken von bis zu 1000 bar und wechselnden Belastungen ausgesetzt werden. Anschließend analysierten die Forschenden unter anderem Dichte, Härte, mechanische Eigenschaften und Verschleiß.
Dabei zeigte sich auch, wie stark die Werkstoffrezeptur das Ergebnis beeinflusst. Weichmacher verstärkten laut BAM bei den untersuchten Elastomeren die Auswirkungen der schnellen Gasdekompression. Die beste Leistung innerhalb der Versuchsreihe erzielte ein mit Carbon Black, also Rußpartikeln, verstärkter Kautschuk. Er wurde für die weitere Materialentwicklung ausgewählt.
150 bar sind viel, aber kein Extremwert
Vor diesem Hintergrund lassen sich auch die 150 bar der neuen OPR-Anlage besser einordnen. Für Materialprüfungen unter Gasatmosphäre ist das ein erheblicher Druckbereich. In der Wasserstofftechnik existieren allerdings Anwendungen mit deutlich höheren Drücken.
Die 2025 veröffentlichte Norm ISO 19880-7 beispielsweise beschäftigt sich ausdrücklich mit O-Ringen für Hochdruckkomponenten an Wasserstofftankstellen. Sie gilt für O-Ringe, die gasförmigen Wasserstoff bei einem nominalen Betriebsdruck von bis zu 70 MPa abdichten sollen. Das entspricht 700 bar. Die Norm umfasst neben dem O-Ring selbst auch Anforderungen an den Einbauraum, die Werkstoffzusammensetzung und Prüfverfahren für das Dichtungssystem.
Die BAM wiederum kann Werkstoffe bei Wasserstoffdrücken von bis zu 1000 bar untersuchen. Die 150-bar-Anlage in Ilsfeld deckt damit nicht sämtliche Hochdruckanwendungen der Wasserstofftechnik ab. Sie erweitert aber die Möglichkeiten, Polymerwerkstoffe unter erhöhtem Gasdruck zu untersuchen.
OPR nennt ausdrücklich Einlagerungsversuche als Einsatzgebiet. Dabei wird geprüft, wie sich ein Werkstoff nach Kontakt mit einem Betriebsmedium verändert. Untersucht werden unter anderem Volumen und Härte. Auch Zugfestigkeit und Reißdehnung können Teil der Bewertung sein. Eine Volumenzunahme deutet beispielsweise auf Quellung hin, eine Veränderung der Härte auf Erweichung oder Versprödung.
Zusätzlich bereitet das Unternehmen nach eigenen Angaben eine normgerechte Prüfung der Gasdurchlässigkeit von Wasserstoff vor.
Deutschlands Wasserstoffnetz braucht mehr als Rohre
Die Frage nach geeigneten Werkstoffen gewinnt auch deshalb an Bedeutung, weil Deutschland eine großflächige Wasserstoffinfrastruktur aufbauen will.
Das von der Bundesnetzagentur genehmigte Wasserstoff-Kernnetz umfasst Maßnahmen mit einer Leitungslänge von 9040 km. Rund 60 % sollen aus bestehenden Gasleitungen hervorgehen, die auf Wasserstoff umgestellt werden, etwa 40 % werden neu gebaut. Die Bundesnetzagentur bezifferte die erwarteten Investitionen bei der Genehmigung auf 18,9 Mrd. €. Die Leitungen sollen schrittweise in Betrieb gehen.
Doch zu einer Gasinfrastruktur gehören nicht nur die Rohre. Flanschverbindungen, Armaturen und andere Komponenten müssen ebenfalls technisch dicht bleiben.
Dass daraus nicht automatisch folgt, dass bestehende Dichtungen ausgetauscht werden müssen, zeigt ein Forschungsprojekt des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches (DVGW). Dabei wurden acht typische Dichtungen für Flanschverbindungen unter anderem mit reinem Wasserstoff untersucht. Alle getesteten Dichtungen waren bei einem Betriebsdruck von 40 bar nach den zugrunde gelegten Anforderungen technisch dicht. Der DVGW hält die Ergebnisse unter vergleichbaren Einbaubedingungen auch für die entsprechenden Dichtungstypen im Feld für übertragbar.
Das relativiert die Vorstellung, die Wasserstoffumstellung erfordere zwangsläufig überall neue Dichtungen. Entscheidend ist vielmehr, welcher Werkstoff in welcher Anwendung unter welchen Betriebsbedingungen eingesetzt wird. Vorhandene Komponenten können geeignet sein; andere müssen neu qualifiziert oder angepasst werden.
Warum die Rezeptur der Dichtung zählt
Genau darin liegt eine Herausforderung der Werkstoffprüfung. Ein Elastomer ist kein einheitlicher Stoff. Neben dem Basispolymer enthält ein sogenanntes Compound beispielsweise Füllstoffe, Vernetzungsmittel, Weichmacher und weitere Additive.
Die Ergebnisse der BAM zeigen, dass Änderungen dieser Zusammensetzung das Verhalten unter Wasserstoff deutlich beeinflussen können. Für Konstrukteure reicht es deshalb nicht in jedem Fall aus, lediglich eine Elastomerfamilie vorzugeben. Entscheidend kann die konkrete Werkstoffrezeptur sein.
Bei Hochdruckanwendungen schlägt sich diese Erkenntnis inzwischen auch in der Normung nieder. Die ISO 19880-7 enthält ausdrücklich Anforderungen an das Compound-Design von O-Ringen für Wasserstofftankstellen.
Auch neue Kältemittel erhöhen den Prüfbedarf
Wasserstoff ist allerdings nur ein Grund für die Investition in Ilsfeld. OPR nennt einen zweiten: den Ersatz fluorierter Kältemittel.
Die EU verschärft mit ihrer F-Gas-Verordnung schrittweise die Vorgaben für fluorierte Treibhausgase. Damit steigt in verschiedenen Anwendungen die Bedeutung von Alternativen. Dazu gehören beispielsweise Propan, auch als R290 bezeichnet, und Ammoniak R717.
Neu sind diese Kältemittel nicht. Ammoniak wird bereits seit langer Zeit vor allem in der industriellen Kältetechnik eingesetzt. Auch Kohlenwasserstoffe wie Propan sind als Kältemittel etabliert. Die EU-Kommission führt beide Stoffe als Alternativen zu verschiedenen fluorierten Kältemitteln auf.
Ein Wechsel des Betriebsmediums betrifft jedoch nicht nur Verdichter oder Wärmetauscher. Auch Dichtungswerkstoffe müssen mit dem jeweiligen Kältemittel verträglich sein. Bei Einlagerungsversuchen lässt sich beispielsweise feststellen, ob ein Elastomer quillt, schrumpft, weicher oder spröder wird oder mechanische Eigenschaften verliert.
Damit verbindet Wasserstoff und Kältemittel trotz völlig unterschiedlicher Anwendungen ein gemeinsames Problem: Neue oder stärker genutzte Betriebsmedien müssen bis hinunter zur Dichtung werkstofftechnisch beherrscht werden.
Quellen
- OPR Group: Werkstoffprüfungen unter Gasatmosphäre bis 150 bar sowie Einlagerungen in explosiven Gasen
- BAM: Polymere für die Wasserstoffwirtschaft und schnelle Gasdekompression
- DVGW: Dichtheit von Flanschverbindungen unter Wasserstoff
- ISO: ISO 19880-7:2025 – O-Ringe für Hochdruck-Wasserstoffanwendungen
- Bundesnetzagentur: Wasserstoff-Kernnetz in Deutschland
- EU: F-Gas-Verordnung (EU) 2024/573 und klimafreundlichere Alternativen zu HFKW-Kältemitteln
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