Wer Gasturbinen oder Großmotoren mit Wasserstoff oder Wasserstoff-Beimischungen betreiben will, muss wissen, wie die eingesetzten Werkstoffe auf die Kombination aus hohen Temperaturen, mechanischer Belastung und Wasserstoffkontakt reagieren. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM hat dafür ein Prüfverfahren mit Hohlproben validiert, das diese drei Belastungsfaktoren unabhängig voneinander variieren kann. Die Fragestellung ist aktuell, da in Gaskraftwerken ein zunehmender Anteil von Wasserstoff verbrannt werden soll, um diese nach und nach klimaneutral zu machen.
Hohlprobe liefert aussagekräftige Ergebnisse über Werkstoffermüdung
Die zentrale Herausforderung: Herkömmliche Wasserstoffdruckkammern lassen sich nicht mit den hohen und wechselnden Betriebstemperaturen kombinieren, wie sie in Turbinen und Motoren auftreten. Die Freiburger Wissenschaftler setzen daher auf Hohlproben mit einer innenliegenden Bohrung. Durch diese strömt Wasserstoff, während die Probe von außen thermomechanisch belastet wird. So lassen sich Wasserstoffdruck, Temperaturänderungen sowie Zug- und Druckbelastungszyklen separat einstellen und verschiedene Betriebsfälle abbilden.
In aktuellen Versuchen im Rahmen öffentlich geförderter Projekte hat das Fraunhofer IWM nach eigenen Angaben gezeigt, dass die Hohlproben sowohl bei gleichbleibender Temperatur als auch bei wechselnden Temperaturen aussagekräftige Ergebnisse liefern. Die gewonnenen Daten zu Spannung, Dehnung und Lebensdauer dienen als Entscheidungsgrundlage für die Werkstoffwahl und die Bauteilkonstruktion. Wasserstoffbedingte Abschläge im Lebensdauerverhalten können so in Abhängigkeit vom Druck bewertet werden. Die Zusammenhänge fließen in Werkstoffmodelle ein, die in Bauteilsimulationen zum Einsatz kommen.
Neue Prüfmethode könnte Turbinen für Wasserstoffkraftwerke günstiger machen
Bislang führt der unzureichend quantifizierte Wasserstoffeinfluss auf die Werkstoffermüdung laut Fraunhofer IWM zu höheren Sicherheitsabschlägen im Bauteildesign, zum Einsatz teurerer Werkstoffe oder zu aufwendigen Bauteilversuchen. Die neue Methode soll diese Kosten senken. Die Nachfrage nach entsprechenden Prüfungen dürfte steigen: Gasturbinen werden zunehmend als flexible Backup-Kraftwerke benötigt, und viele Hersteller arbeiten daran, ihre Maschinen für den Betrieb mit steigenden Wasserstoffanteilen zu qualifizieren.
