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Die Beimischung von Wasserstoff zu fossilen Kraftstoffen ist ein wichtiger Schritt zur Dekarbonisierung von Verbrennungsprozessen in Großmotoren oder Gasturbinen. Die dort eingesetzten Werkstoffe sind extremen Temperaturwechseln, mechanischen Beanspruchungen und dem Wasserstoffgas ausgesetzt. Je nach Anteil im Brennstoff und der Werkstoffempfindlichkeit reduziert der Wasserstoff die Ermüdungsfestigkeit zusätzlich. Wissenschaftler des Fraunhofer IWM haben gezeigt, wie die thermomechanische Ermüdung unter Wasserstoffeinfluss wirtschaftlich mit Hohlproben bestimmt werden kann.
Die Beimischung von Wasserstoff gilt als Übergangstechnologie, um Gasturbinen zur Stromerzeugung oder Großmotoren für Schiffe oder Fahrzeuge »grüner« zu machen, ohne die Anlagen komplett austauschen zu müssen. Ziel vieler Forschungsprojekte und Unternehmen ist, Verbrennungsmaschinen wie Motoren und Turbinen komplett mit Wasserstoff zu betreiben. Die Nachfrage nach Gasturbinen zur Stromerzeugung steigt, denn mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien sind Gaskraftwerke gefragt, die das Stromnetz bei Schwankungen in der Energieerzeugung stabilisieren, da sie eine flexible Fahrweise erlauben.
Mit zunehmender Wasserstoff-Konzentration bei der Verbrennung wächst die CO2-Einsparung und es wachsen die Herausforderungen für die Werkstoffe, die mit dem hoch diffusiven Wasserstoff in Kontakt kommen. Folglich nehmen die Anforderungen an die Bewertung der Sicherheit und Zuverlässigkeit zu. Der Schlüssel ist die Auslegung gegenüber der sogenannten thermomechanischen Ermüdung (TMF), die unmittelbar die Lebensdauer beeinträchtigt. Die Folgen aktuell sind höhere Sicherheitsabschläge im Bauteildesign, der Einsatz teurer Werkstoffe oder aufwendige Bauteilversuche. Gefragt sind fundierte Entscheidungsgrundlagen, die die Komplexität der Beanspruchungen berücksichtigen.
Die Werkstoffe und Bauteile im Labor zu testen und für den Einsatz im Wasserstoffkontakt zu qualifizieren, liegt auf der Hand. Aber die Praxisbedingungen müssen im Labormaßstab dargestellt werden und die Aussagekraft der ermittelten Materialeigenschaften muss zur Absicherung der Lebensdauer und zur Optimierung des Bauteildesigns in die industrielle
Praxis übertragbar sein.
Wasserstoffdiffusion, Temperaturwechsel, Zug-Druck-Belastung unabhängig voneinander kombinieren
Die Option, Hochtemperaturwerkstoffe in einer Wasserstoffdruckkammer zu erproben, scheidet aus, da sich die hohen und wechselnden Betriebstemperaturen mit dem Druckwasserstoff darin nicht kombinieren lassen. Die Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg setzen daher sogenannte Hohlproben ein, bei denen durch eine Bohrung im Probeninneren Wasserstoff strömt und das Probenmaterial von außen mit den thermomechanischen Betriebsbedingungen beaufschlagt wird. Damit können unabhängig voneinander der Wasserstoffdruck, die Temperaturänderungen sowie die Zug- und Druckbelastungszyklen experimentell variiert werden und so für verschiedenste Betriebsfälle Aussagen zur Werkstoffeignung abgeleitet werden.
Dass die Hohlproben zur Ermittlung der Auswirkungen von Wasserstoffgas auf die Werkstoffeigenschaften bei gleichbleibender Temperatur (isothermen Prüfbedingungen) und für wechselnde Temperaturen (anisotherme Prüfbedingungen) geeignet sind, konnte in aktuellen Versuchen (und im Rahmen öffentlich geförderter Projekte) gezeigt werden.
Stufenweise Umsetzung der Versuchsergebnisse in die Praxis
Die Untersuchungsergebnisse (Spannung, Dehnung, Lebensdauer) aus den TMF-Versuchen liefern zunächst Entscheidungsgrundlagen für die Wahl geeigneter Werkstoffe. Bei der Konstruktion von Bauteilen für den Einsatz in Verbrennungsmaschinen gilt es, abzuwägen, zwischen konservativer Auslegung und erwarteter Lebensdauer, d.h. Belastungszyklen, bis die Werkstoffermüdung zur Entstehung von Rissen führt. Und nicht zuletzt können und müssen wasserstoffbedingte Abschläge in Abhängigkeit des Drucks im Lebensdauerverhalten bewertet und berücksichtigt werden. Die vielfältigen zu optimierenden Zusammenhänge werden in einem Werkstoffmodell abgebildet und kommen so in Bauteilsimulationen zum Einsatz.
Weiterer Meilenstein auf dem Weg zu sicheren und ressourcenschonenden Bauteilen im Kontakt in Wasserstoff
Mit der experimentellen Kombination und der Variation der Werkstoffbelastungen in Turbinen und Motoren bei Verwendung von Wasserstoff-haltigen Brennstoffen können die Auswirkungen des Wasserstoffs nun schnell und wirtschaftlich bewertet werden. Werkstofftechnologische Weichenstellungen für die Dekarbonisierung von Verbrennungsprozessen werden damit berechenbar.
Heiner Augenstein, Telefon +49 761 5142-170, heiner.augenstein@iwm.fraunhofer.de;
Dr. Michael Schlesinger, Telefon +49 761 5142-421, michael.schlesinger@iwm.fraunhofer.de
https://www.iwm.fraunhofer.de/de/presse/presse-news/pressemitteilungsliste/schne... Unter diesem Link finden sie ein Interview mit Heiner Augenstein und Michael Schlesinger sowie weitere Bilder.
Untersuchung einer mit Wasserstoff beladenen Hohlprobe aus einem Turbinenwerkstoff unter thermomecha ...
Source: Kai Wudtke
Copyright: Fraunhofer IWM
Criteria of this press release:
Journalists
Energy, Materials sciences, Mechanical engineering
transregional, national
Research results, Transfer of Science or Research
German
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