Sicherere Bauformen für Hochdruckwasserstoffbehälter
Man hat Wasserstofftankstellen gebaut, aber die internationalen Normen berücksichtigen den durch Wasserstoff verstärkten Materialermüdungseffekt bei Hochdruckwasserstoffbehältern nicht richtig. Das von der EU finanzierte Projekt MATHRYCE (Material testing and recommendations for hydrogen components under fatigue) verfolgte das Ziel, diese Lücke zu schließen. Das Projekt vereinte die in der Entwicklung von Normen sowie im Bereich Wasserstoffproduktion und -lagerung weltweit führenden Kräfte. Außerdem nahm die Gemeinsame Forschungsstelle (GFS; Joint Research Centre, JRC) der Europäischen Kommission mit Regierungseinrichtungen aus drei europäischen Ländern teil. Mehrere Komponenten der Wasserstoffversorgungskette wie beispielsweise Hochdruckverdichter und Druckpuffer in Wasserstofftankstellen sind zyklischen Belastungen ausgesetzt. In Europa tragen die lokalen Vorschriften nicht ausreichend der Ermüdungsbelastung unter Wasserstoffdruck Rechnung. Um die Auswirkung von Wasserstoff die Ermüdungslebensdauer zu quantifizieren, übernahmen die Forscher einen kombinierten rechnerischen und experimentellen Ansatz. In den Resultaten widerspiegelten sich repräsentative und momentan mögliche Bedingungen für eine Reihe von Labortests. Gleichzeitig wurde eine Testkampagne eingerichtet, die sowohl Versuche unter Labor- als auch vollmaßstäblichen Bedingungen mit dem Ziel der Bewertung der Wirkung von Wasserstoff auf Stahl unterstützte. Aus Cr-Mo-Stahl mit einer getemperten Bainit-Martensit-Mikrostruktur wurden Proben und Behälter in realer Größe hergestellt. Obgleich dieser spezielle Stahl traditionell zur Herstellung von Hochdruckbehältern für Wasserstofftransport und -lagerung verwendet wird, ist er empfindlich gegenüber Wasserstoffversprödung. Unter zyklischer Belastung und Hochdruckwasserstoff können Rissbildungsbeginn und -wachstum beschleunigt werden. Die MATHRYCE-Partner entwickelten Messgeräte zum Nachweis von Ermüdungsrissbeginn unter Wasserstoffdruck und zum Messen des Risswachstums. Resultate der Versuche unter hohem Wasserstoffdruck bildeten den Grundstein für die Entwicklung einer einfach umzusetzenden Methodik zur Bewertung von Hochdruckwasserstoffbehältern. Sie basiert auf Daten über den Ablauf der Materialermüdung aus Versuchen im Labormaßstab, kombiniert mit Daten, die bei Tests vollmaßstäblicher Zylinder unter zyklischer Belastung ermittelt wurden. Die Konstruktion von Druckbehältern aus Metall kann nun auf solidem Wissen über den Einfluss mehrerer Parameter wie etwa Druck- und Belastungshäufigkeit auf die durch Wasserstoff verstärkte Materialermüdung beruhen. Aus den Resultaten von MATHRYCE schlussfolgerte man Empfehlungen an internationale Normungsgremien (ISO, CEN). Sie haben den Weg zu erheblichen Einsparungen bei der zukünftigen Gestaltung der Wasserstoffinfrastruktur geebnet.
Schlüsselbegriffe
Hochdruckwasserstoffbehälter, Brennstoffzellentechnologie, internationale Normen, MATHRYCE, Cr-Mo-Stahl
