Wasserstoffwirtschaft steht aufgrund von Versprödung vor Materialherausforderungen

Stellen Sie sich eine Zukunft ohne Abgasemissionen vor, in der der blaue Himmel nicht mehr durch Fabrikschornsteine verdeckt wird, sondern durch saubere, effiziente Wasserstoffenergie ersetzt wird. Diese Vision ist fesselnd und scheint in greifbarer Nähe zu sein. Wasserstoffenergie ist jedoch nicht so sanftmütig, wie man sich vorstellt – sie stellt extrem strenge Anforderungen an die Materialien. Die geringste Nachlässigkeit kann schwerwiegende Folgen haben. Heute befassen wir uns mit dem versteckten „Materialkiller“, der in Wasserstoffenergieanwendungen lauert: der Wasserstoffversprödung, und untersuchen, wie man diese verborgene Falle auf dem Weg der Energiewende vermeiden kann.

In der globalen Welle der Energiewende gilt Wasserstoffenergie als „Zukunftsstar“, der unendliche Hoffnungen auf saubere Energie birgt. Sie hat vielfältige Quellen und kann durch verschiedene Verfahren wie Wasserelektrolyse, Reformierung fossiler Brennstoffe und Biomassevergasung erzeugt werden. Noch wichtiger ist, dass bei der Wasserstoffverbrennung nur Wasser entsteht, wodurch echte „Null-Emissionen“ erreicht werden, was sie zu einem idealen Brennstoff macht.

Die Anwendungsperspektiven der Wasserstoffenergie sind riesig und erstrecken sich über Verkehr, Industrieproduktion, Gebäudeheizung, Energiespeicherung und mehr. Im Verkehr gelten Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge als ideale Alternative zu herkömmlichen benzinbetriebenen Autos und bieten Vorteile wie große Reichweite, kurze Betankungszeiten und Null-Emissionen. In der Industrie kann Wasserstoff als Reduktionsmittel oder synthetischer Rohstoff für die Stahlherstellung und chemische Produktion dienen und so die Kohlenstoffemissionen reduzieren. In Gebäuden können Wasserstoff-Brennstoffzellen Strom und Wärme liefern und so Energieautarkie erreichen. Bei der Energiespeicherung kann Wasserstoff überschüssigen Strom in chemische Energie umwandeln, um ihn zu speichern und bei Bedarf wieder in Strom umzuwandeln, wodurch die Intermittenz erneuerbarer Energien angegangen wird.

Um jedoch die Wasserstoffenergie wirklich zu nutzen und den „Zukunftsstar“ in die Realität umzusetzen, müssen wir eine Reihe von technischen Herausforderungen meistern. Darunter sind die Wasserstoffspeicherung und der -transport entscheidende Verbindungen und gehören zu den größten Hürden bei Wasserstoffenergieanwendungen. Wasserstoff hat eine geringe volumetrische Energiedichte, ist hochentzündlich und explosiv und neigt zur Permeation, was seine Speicherung und seinen Transport außergewöhnlich schwierig macht.

Derzeit umfassen die Wasserstoffspeichermethoden hauptsächlich die Hochdruckgaslagerung, die kryogene Flüssigkeitslagerung und die Festkörperlagerung. Die Hochdruckgaslagerung ist relativ ausgereift, hat aber eine geringe volumetrische Energiedichte, erfordert Hochdruckbehälter und birgt Sicherheitsrisiken. Die kryogene Flüssigkeitslagerung verbessert die volumetrische Energiedichte erheblich, erfordert aber die Kühlung von Wasserstoff auf extrem niedrige Temperaturen (-253 °C), was erhebliche Energie verbraucht. Die Festkörperlagerung bietet eine hohe volumetrische Energiedichte und gute Sicherheit, ist aber immer noch kostspielig und technologisch unausgereift.

Zu den Wasserstofftransportmethoden gehören hauptsächlich der Transport über Pipelines, Tankwagen und Schiffe. Der Transport über Pipelines ist ideal für den groß angelegten Wasserstofftransport über große Entfernungen, erfordert aber dedizierte Wasserstoffpipelines mit erheblichen Investitionen. Tankwagen eignen sich für den Transport über kurze Strecken und in kleinem Maßstab, sind aber ineffizient. Der Versand eignet sich für den groß angelegten Transport über große Entfernungen, erfordert aber die Verflüssigung oder Umwandlung von Wasserstoff in andere Formen vor dem Transport.

Ob für die Lagerung oder den Transport, Wasserstoff stellt extrem strenge Anforderungen an die Materialien. Herkömmliche metallische Werkstoffe sind in Wasserstoffumgebungen anfällig für Wasserstoffversprödung, was zu Geräteausfällen und sogar Sicherheitsunfällen führt. Daher ist die Entwicklung von Hochleistungswerkstoffen, die für Wasserstoffumgebungen geeignet sind, ein entscheidender Aspekt von Wasserstoffenergieanwendungen.

Wasserstoff, als „Element Nummer eins“ im Periodensystem, hat das kleinste Atomvolumen und die leichteste Masse. Diese einzigartigen physikalischen Eigenschaften machen ihn sehr anfällig für das Eindringen in das Innere von metallischen Werkstoffen, was eine Reihe von Problemen verursacht. Insbesondere in praktischen Wasserstoffenergieanwendungen liegt Wasserstoff in der Regel in flüssiger oder gasförmiger Form vor, was zusätzliche Herausforderungen darstellt.

• Kryogene Versprödung: Flüssiger Wasserstoff erreicht extrem niedrige Temperaturen von -252,9 °C (-423 °F). Bei solchen Temperaturen nimmt die Duktilität von metallischen Werkstoffen deutlich ab, sie werden spröder und anfälliger für Brüche. Dieses Phänomen wird als kryogene Versprödung bezeichnet.
• Wasserstoffversprödung: Bei Raumtemperatur zersetzt sich gasförmiger Wasserstoff in Wasserstoffatome, die in das Innere des Metalls diffundieren, seine Mikrostruktur verändern und seine Festigkeit und Zähigkeit verringern, wodurch es anfälliger für Brüche wird. Das ist es, was wir gemeinhin als „Wasserstoffversprödung“ bezeichnen.

Wasserstoffversprödung ist eine Form der Wasserstoffkorrosion, die die Ermüdungs- und Bruchfestigkeit eines Metalls verringert. Dieser Prozess kann einfach wie folgt verstanden werden: Wasserstoffmoleküle zerfallen in Wasserstoffatome, die in das Innere des Metalls eindringen und sich an Spannungskonzentrationspunkten wie Rissspitzen, Korngrenzen, Einschlüssen oder Ausscheidungen ansammeln. In einigen Fällen können sich Wasserstoffatome sogar wieder zu Wasserstoffmolekülen verbinden, was die Wasserstoffversprödung noch verschlimmert.

Das Auftreten von Wasserstoffversprödung ist ein komplexer physikalisch-chemischer Prozess, der mehrere Schritte umfasst: Wasserstoffadsorption, -absorption, -diffusion und -akkumulation. Wasserstoffatome adsorbieren zunächst auf der Metalloberfläche, zersetzen sich dann in Wasserstoffionen, die in das Innere des Metalls gelangen, zu Spannungskonzentrationspunkten diffundieren, mit Metallatomen interagieren, die Mikrostruktur des Metalls verändern und letztendlich die mechanischen Eigenschaften des Materials verschlechtern.

Die Gefahren der Wasserstoffversprödung sind nicht zu unterschätzen. Sie kann zu vorzeitigem Geräteausfall, erhöhten Wartungskosten und sogar Sicherheitsunfällen führen, was die weitverbreitete Einführung der Wasserstoffenergie behindert. Beispielsweise können Wasserstoffpipelinebrüche aufgrund von Versprödung zu Lecks führen, die Brände oder Explosionen verursachen. Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug-Speichertanks, die aufgrund von Versprödung versagen, können Fahrzeuge funktionsunfähig machen oder sogar Unfälle verursachen.

Daher ist die Materialauswahl bei der Konstruktion und dem Bau von Wasserstoffenergiesystemen von entscheidender Bedeutung. Nur Materialien mit ausgezeichneter Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung können den sicheren und zuverlässigen Betrieb von Wasserstoffenergiesystemen gewährleisten.

Wie können wir also robuste und zuverlässige Wasserstoffenergieanlagen bauen? Die Antwort liegt in der Auswahl der richtigen Materialien! Insbesondere speziell formulierte, hochwertige Edelstähle können den Herausforderungen, die Wasserstoff mit sich bringt, besser standhalten.

Edelstahl ist ein legierter Stahl, der hauptsächlich aus Eisen besteht, mit Legierungselementen wie Chrom, Nickel und Molybdän. Chrom bildet einen dichten Oxidfilm auf der Edelstahloberfläche, der Korrosion verhindert. Nickel erhöht die Festigkeit und Zähigkeit, während Molybdän die Korrosionsbeständigkeit verbessert.

Verschiedene Arten von Edelstahl weisen eine unterschiedliche Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung auf. Im Allgemeinen schneiden austenitische Edelstähle gut gegen Wasserstoffversprödung ab, während ferritische und martensitische Edelstähle anfälliger sind.

Austenitische Edelstähle, die hauptsächlich aus Austenit bestehen, bieten eine gute Plastizität, Zähigkeit und Schweißbarkeit und werden daher häufig in der chemischen, Erdöl- und Lebensmittelindustrie eingesetzt. Zu den gängigen Sorten gehören 304, 316 und 321. Ferritische Edelstähle, die hauptsächlich aus Ferrit bestehen, haben eine höhere Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit, aber eine geringere Plastizität und Zähigkeit, wodurch sie anfällig für kryogene Versprödung und Wasserstoffversprödung sind. Zu den gängigen Sorten gehören 430 und 446. Martensitische Edelstähle können durch Wärmebehandlung gehärtet werden und bieten eine hohe Festigkeit und Härte, aber eine geringere Plastizität und Zähigkeit, wodurch sie anfällig für Wasserstoffversprödung sind. Zu den gängigen Sorten gehören 410 und 420.

Daher sollten austenitische Edelstähle bei der Konstruktion und dem Bau von Wasserstoffenergiesystemen priorisiert werden. Wenn ferritische oder martensitische Edelstähle verwendet werden müssen, sollten geeignete Schutzmaßnahmen – wie Oberflächenbeschichtungen oder kathodischer Schutz – ergriffen werden, um die Risiken der Wasserstoffversprödung zu mindern.

Neben Edelstählen weisen auch andere Materialien wie Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen und Nickelbasislegierungen eine gute Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung auf. Diese Materialien sind teurer, bieten aber eine überlegene Leistung, wodurch sie sich für Hochsicherheitsanwendungen eignen.

Im Folgenden gehen wir auf einige häufige Fragen ein, um wichtige Überlegungen bei der Materialauswahl für Wasserstoffenergie zu untersuchen.

A: Kryogene Versprödung bezieht sich auf die Abnahme der Duktilität, Zähigkeit sowie der Ermüdungs- und Bruchfestigkeit eines Metalls bei sinkenden Temperaturen. Einfach ausgedrückt: Metalle werden bei niedrigen Temperaturen spröder und anfälliger für Brüche.

Verschiedene Arten von Edelstählen weisen eine unterschiedliche Beständigkeit gegen kryogene Versprödung auf. Austenitische Edelstähle behalten bei niedrigen Temperaturen eine gute Zähigkeit, während ferritische Edelstähle (einschließlich niedriglegierter Stähle, ferritischer oder Duplex-Edelstähle) anfälliger für kryogene Versprödung sind. Daher sind austenitische Edelstähle die bevorzugte Wahl für Flüssigwasserstoffsysteme. Wenn Ihre Anwendung sehr empfindlich auf kryogene Versprödung reagiert, sind austenitische Edelstähle die richtige Wahl.

Austenitische Edelstähle widerstehen der kryogenen Versprödung aufgrund ihrer kubisch-flächenzentrierten (FCC) Kristallstruktur, die bei niedrigen Temperaturen eine gute Plastizität und Zähigkeit beibehält und spröde Brüche verhindert. Darüber hinaus widerstehen auch einige Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen und Nickelbasislegierungen der kryogenen Versprödung, wodurch sie sich für kryogene Umgebungen wie die Lagerung und den Transport von Flüssigwasserstoff eignen.

A: Wasserstoffversprödung ist eine Form der Wasserstoffkorrosion, die die Ermüdungs- und Bruchfestigkeit eines Metalls verringert. Der Prozess kann vereinfacht wie folgt dargestellt werden: Wasserstoffmoleküle zerfallen in Atome, die in das Innere des Metalls eindringen und sich an Spannungskonzentrationspunkten wie Rissspitzen, Korngrenzen, Einschlüssen oder Ausscheidungen ansammeln. In einigen Fällen können sich Wasserstoffatome wieder zu Molekülen verbinden, was die Versprödung noch verschlimmert.

Die Wasserstoffversprödung umfasst mehrere Schritte: Wasserstoffadsorption, -zersetzung, -absorption, -diffusion, -akkumulation und letztendlich spröder Bruch. Sein Auftreten hängt von Faktoren wie Wasserstoffdruck, Temperatur, Reinheit, Metalltyp, Zusammensetzung, Mikrostruktur und Spannungsgröße/-frequenz ab.

A: Materialien, die anfällig für Wasserstoffversprödung sind, erhöhen die Ausfallrisiken des Systems erheblich. Im Allgemeinen sind Materialien mit höherer Festigkeit anfälliger. Austenitische Edelstähle mit ihrer FCC-Kristallstruktur, moderaten Festigkeit und guten Duktilität eignen sich typischerweise besser für Wasserstoffumgebungen. Die Beständigkeit variiert jedoch je nach Sorte. Ferritische und martensitische Edelstähle sind aufgrund ihrer Kristallstrukturen und Zusammensetzungen anfälliger für Versprödung. Hochfeste Stähle und Titanlegierungen sind in Wasserstoffumgebungen ebenfalls anfällig.

Die Verwendung ungeeigneter Materialien kann zu vorzeitigem Geräteausfall, höheren Wartungskosten und Sicherheitsrisiken führen. Mögliche Folgen sind:

• Sicherheitsrisiken: Wasserstofflecks können Brände oder Explosionen verursachen.
• Ausfallzeiten: Geräteausbesserungen oder -ersatz unterbrechen den Betrieb.
• Erhöhte Austauschhäufigkeit: Komponenten erfordern häufigere Wechsel, was die Kosten erhöht.
• Umweltauswirkungen: Wasserstofflecks verschwenden Energie und können die Umwelt schädigen.
• Höhere Betriebskosten: Die gesamten Wartungs- und Betriebskosten steigen.

A: Hochwertige Edelstähle mit höherem Nickelgehalt eignen sich besser für Wasserstoffumgebungen, insbesondere für den Langzeitbetrieb. ASTM-Standards schreiben vor, dass Edelstahl 316 mindestens 10 % Nickel enthalten muss, aber für Wasserstoffanwendungen ist ein Nickelgehalt von 12 % besser. Nickel stabilisiert die Mikrostruktur und erhöht die Beständigkeit gegen Versprödung. Tests zeigen, dass Edelstahl 316 mit 12 % Nickel die Zugduktilität unter Wasserstoffexposition gut beibehält.

Nickel stabilisiert Austenit, verbessert die Plastizität und Zähigkeit und erhöht dadurch die Beständigkeit gegen Versprödung. Es verlangsamt auch die Wasserstoffdiffusion, wodurch die atomare Ansammlung und die Versprödungsrisiken verringert werden. Neben dem Nickelgehalt wirken sich auch Faktoren wie Reinheit, Korngröße und Verarbeitung auf die Leistung aus.

A: Im sich schnell entwickelnden Wasserstoffenergiesektor ist die Materialauswahl komplex, aber entscheidend. Die richtigen Entscheidungen wirken sich direkt auf den Ruf von Wasserstoff als zuverlässiger, nachhaltiger Brennstoff aus. Schlechte Auswahlen könnten seine Zukunft gefährden. Suchen Sie nach Lieferanten mit fundiertem Fachwissen in der Materialwissenschaft und erfolgreichen Wasserstoffanwendungsfällen. Konsultieren Sie Experten, um optimale Lösungen für spezifische Anforderungen zu ermitteln.

• Mechanische Eigenschaften: Festigkeit, Zähigkeit, Plastizität, Ermüdungsbeständigkeit.
• Korrosionsbeständigkeit: Beständigkeit gegen Wasserstoff- und elektrochemische Korrosion.
• Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung: Der wichtigste Leistungswert.
• Kosten: Ausgewogene Leistung und Erschwinglichkeit.
• Verarbeitbarkeit: Einfache Formgebung in Komponenten.
• Schweißbarkeit: Kompatibilität mit Schweißverfahren.

Berücksichtigen Sie zusätzlich die Betriebsumgebungen (Temperatur, Druck, Medien), um Materialien mit geeigneter Leistung unter bestimmten Bedingungen auszuwählen.

Mit dem Fortschritt der Wasserstoffenergietechnologie steigen die Materialanforderungen. Zukünftige Wasserstoffenergiematerialien werden sich in diese Richtungen entwickeln:

• Hohe Festigkeit und Zähigkeit: Erhöht die Systemsicherheit und -zuverlässigkeit.
• Wasserstoffkorrosionsbeständigkeit: Verlängert die Lebensdauer des Systems.
• Geringe Kosten: Fördert die weitverbreitete Einführung.
• Leichtgewicht: Verbessert die Reichweite von Brennstoffzellenfahrzeugen.
• Intelligente Materialien: Selbstheilungs- und Diagnosefähigkeiten erhöhen die Sicherheit.

Forscher untersuchen neuartige Materialien wie hochentropische Legierungen, Nanomaterialien und Intermetallverbindungen, die vielversprechend für zukünftige Wasserstoffanwendungen sind.

Wasserstoffenergie als saubere, effiziente und nachhaltige Energiequelle birgt ein großes Potenzial. Die groß angelegte Einführung erfordert jedoch die Überwindung technischer Herausforderungen, wobei die Materialauswahl von entscheidender Bedeutung ist. Nur durch die Auswahl geeigneter Materialien können wir sichere, zuverlässige Wasserstoffsysteme gewährleisten und ihr volles Potenzial für eine sauberere Zukunft erschließen. Lassen Sie uns zusammenarbeiten, um Materialherausforderungen zu lösen und die globale Einführung der Wasserstoffenergie voranzutreiben.