(Freiburg / Deutschland) – Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM forschen mit Hohlproben daran, die Auswirkungen von Wasserstoffgas auf die Eigenschaften von Werkstoffen zu ermitteln. Denn die Beimischung von Wasserstoff mache etwa Gastkraftwerke oder Motoren für Schiffe und Fahrzeuge umweltfreundlicher, ohne die Anlagen komplett austauschen zu müssen.
Abgekühlte Hohlprobe nach dem thermomechanischen Ermüdungsversuch. © Fraunhofer IWM / Kai Wudtke
Allerdings könne Wasserstoff Bauteile angreifen und schädigen. Die Werkstoffe seien „extremen Temperaturwechseln, mechanischen Beanspruchungen und dem Wasserstoffgas ausgesetzt“, so die Forscher. Je nach Anteil im Brennstoff und der Werkstoffempfindlichkeit reduziere der Energieträger die Ermüdungsfestigkeit zusätzlich. Um Werkstoffe und Bauteile für den Einsatz im Wasserstoffkontakt zu testen und zu qualifizieren, müssten derzeit die Praxisbedingungen im Labormaßstab dargestellt werden, denn die Hochtemperaturwerkstoffe ließen sich nicht in einer Druckkammer erproben, da sich die hohen und wechselnden Betriebstemperaturen mit Druckwasserstoff nicht kombinieren ließen.
Aufbau zur Untersuchung des Einflusses von Wasserstoffgas auf die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen an Hohlproben. © Fraunhofer IWM / Kai Wudtke
Die Freiburger Wissenschaftler nutzten daher Hohlproben, „bei denen durch eine Bohrung im Probeninneren Wasserstoff strömt und das Probenmaterial von außen mit den thermomechanischen Betriebsbedingungen beaufschlagt“ werde. Damit ließen sich der Wasserstoffdruck, die Temperaturänderungen sowie die Zug- und Druckbelastungszyklen experimentell variieren und daraus für verschiedene Betriebsfälle Aussagen zur Werkstoffeignung ableiten. Die Versuchsergebnisse (Spannung, Dehnung, Lebensdauer) lieferten dann Entscheidungsgrundlagen für die Wahl geeigneter Werkstoffe.
Auswirkungen schnell und wirtschaftlich bewerten
Mit der experimentellen Kombination und der Variation der Werkstoffbelastungen in Turbinen und Motoren bei Verwendung von wasserstoffhaltigen Brennstoffen könnten die Auswirkungen des Energieträgers „schnell und wirtschaftlich bewertet“ werden. „An der Hohlprobe können wir Temperatur und mechanische Last unabhängig erfassen und kontrollieren“, so die IWM-Wissenschaftler Heiner Augenstein und Michael Schlesinger. Die verwendete Induktionsheizung lasse auch schnelle Temperaturänderungen zu. „Mechanisch können wir wahlweise Dehnung oder Kraft regeln. Dadurch lassen sich anwendungsnah fast beliebige Lastprofile nachbilden.“ Werkstofftechnologische Weichenstellungen für die Dekarbonisierung von Verbrennungsprozessen würden berechenbar.
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Untersuchung einer mit Wasserstoff beladenen Hohlprobe aus einem Turbinenwerkstoff unter thermomechanischer zyklischer Belastung. Die Probe hat eine Bohrung im Inneren. Der Versuch erfolgt bei einer Temperatur von bis zu 900 Grad Celsius. Der Hohlraum wird mit Druckwasserstoff (bis 250 bar) beladen. Während des Versuchs diffundiert der Wasserstoff in den Werkstoff und beeinflusst dessen Festigkeit. © Fraunhofer IWM / Kai Wudtke
