Mit individuell entwickelten Analyse- und Validierungsmethoden werden die Einflüsse von Wasserstoff auf Materialien, Bauteile und Komponenten unter realitätsnahen Beanspruchungen ermittelt.

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Werkstoffe und Komponenten validieren Sicherheit von Wasserstofftechnologie garantieren

09.05.2022

Die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Wasserstoff-exponierten Werkstoffen und Komponenten sind wesentliche Voraussetzungen bei der Etablierung von Wasserstoff als zukünftigen regenerativen Energieträger oder -speicher. Das Fraunhoer LBF stellt daher aktuelle Analysekonzepte und individuelle Validierungsmethoden für Materialien und Systeme im Umfeld der Wasserstofftechnologie vor.

Wie kann Wasserstoff für mobile Anwendungen im Verkehr genutzt werden? Können hierfür bestehende Infrastrukturen genutzt werden? Welche Herausforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit und Lebensdauer ergeben sich daraus für Wasserstoff-beaufschlagte Materialien und Systeme?

Mittels individuell entwickelter Analyse- und Validierungsmethoden und den hierfür erforderlichen Infrastrukturen werden am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF in Darmstadt die Einflüsse von Wasserstoff unter realitätsnahen Beanspruchungen auf die Ermüdung von Materialien, Bauteilen und Komponenten ermittelt und daraus Methoden zur Lebensdauerabschätzung abgeleitet. Dieses Vorgehen schützt Hersteller von Produkten für die Wasserstoffwirtschaft vor Nutzungsausfällen und Systemversagen. Lebensdauer und Sicherheit in der Wasserstoffwirtschaft

Schwingfestigkeitsverhalten unter verschiedenen Wasserstoff-Typen

Für die Untersuchung des zyklischen Werkstoffverhaltens unter dem Medium Wasserstoff steht im Fraunhofer LBF eine spezielle Versuchseinrichtung zur Durchführung von kraft- und dehnungsgeregelten Versuchen unter Druckwasserstoff mit Partialdrücken von 7 bar bis 50 bar bereit. Neben der Durchführung von Referenzuntersuchungen unter Stickstoffatmosphäre mit einem Druck von 10 bar, besteht auch die Möglichkeit zur Temperierung des Autoklavs, mit regelbaren Temperaturen zwischen -40 °C und 130 °C.

In einem Forschungsprojekt wurde zusätzlich zur Werkstoffcharakterisierung unter Druckwasserstoff eine elektrochemische Zelle entwickelt, um simultan bei Anliegen einer äußeren Last eine Werkstoffprobe mit elektrochemisch angebotenem Wasserstoff zu beladen. Nach Optimierung der Versuchsparameter konnte für den untersuchten Schmiedestahl 1.5132 und einem Lasthorizont im Kurzzeitfestigkeitsbereich nachgewiesen werden, dass es möglich ist, den schwingfestigkeitsmindernden und damit schädigenden Einfluss einer Druckwasserstoffumgebung durch elektrolytisch angebotenen Wasserstoff abzubilden. Die Untersuchungen werden aktuell fortgesetzt, um diese Versuchstechnik auch für den höherzyklischen Lebensdauerbereich zu qualifizieren.

Unternehmen aus den Bereichen Transport, Energie sowie des Maschinen- und Anlagenbaus können durch Anwendung von kundenspezifischen oder individuellen Analyse- und Versuchskonzepten am Fraunhofer LBF ausschließen, dass aufgrund von Unkenntnis ein frühzeitiges Versagen von Bauteilen und Systemkomponenten in Verbindung mit Wasserstoff auftritt, was möglicherweise zu fatalen Folgen für den Nutzer führt.

Wasserstoffleistungszentrum GreenMat4H2

Im Kontext Wasserstoff entwickelt das Fraunhofer LBF in enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IWKS sowie mit Vertretern aus Forschung und Industrie Methoden zur Beschreibung des Einflusses von Wasserstoff auf die Lebensdauer von Werkstoffen, Bauteilen und Systemen. Dies wird im neu gegründeten Leistungszentrum „GreenMat4H2“ durch Forschung mit Hochschulen und Industriepartnern aus der Region Rhein-Main verstärkt.

Entscheidend für die Arbeiten im Leistungszentrum ist die unmittelbare Übertragung der Forschungsergebnisse auf industrielle Anwendungen. Als zentrale Anlaufstelle für die Wasserstoff-Wirtschaft im Rhein-Main-Gebiet und überregional ist das Leistungszentrum das Bindeglied, um Materialkreisläufe der Wasserstoff-Wirtschaft nachhaltig zu schließen.

Bildergalerie

  • Versuchseinrichtung zur Durchführung von temperierten Ermüdungsversuchen unter Druckwasserstoff und Stickstoff im Fraunhofer Institut.

    Bild: Ursula Raapke/ Fraunhofer LBF

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