Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMWasserstoffmotoren gelten als vielversprechende Alternative für schwere Offroad-Maschinen, doch Wasserstoff kann metallische Werkstoffe im Motorinneren schädigen, besonders unter zyklischer Belastung. Das Projekt PoWer untersucht systematisch, wie Motorkomponenten unter realer Wasserstoffatmosphäre ermüden und entwickelt robuste Auslegungsstrategien für den Nutzfahrzeugbereich. Mit innovativer Hohlproben- und Mikroprobentechnik werden erstmals lokale Werkstoffschädigungen unter Hochdruck-Wasserstoff quantifiziert. Die Ergebnisse liefern Konstrukteuren und Motorenentwicklern belastbare Daten für die sichere Auslegung von H₂-Antrieben. So wird der Weg frei für zuverlässige, emissionsfreie Schwerlastmaschinen in Bau, Landwirtschaft und Bergbau.
Potenzial von Wasserstoffmotoren für effiziente und robuste Offroad-Anwendungen
Laufendes Forschungsprojekt
Projektbeschreibung
Marktbedarf und Herausforderung
Die Dekarbonisierung schwerer Offroad-Maschinen – Baumaschinen, Landmaschinen, Bergbaufahrzeuge – ist eine der größten Herausforderungen der Mobilitätswende. Batterieelektrische Antriebe stoßen hier aufgrund des hohen Energiebedarfs und langer Betriebszeiten an Grenzen. Wasserstoff-Verbrennungsmotoren bieten eine realistische Alternative: Sie nutzen bestehende Motorenarchitekturen, liefern hohe Leistungsdichte und ermöglichen emissionsfreien Betrieb. Doch Wasserstoff interagiert aggressiv mit metallischen Werkstoffen. Atomarer Wasserstoff diffundiert in das Metallgefüge, reichert sich an Spannungskonzentrationen an und kann unter zyklischer Belastung, wie sie durch Start-Stopp-Zyklen in Motorkomponenten entsteht, zu vorzeitigem Versagen führen. Für den Nutzfahrzeugbereich mit seinen hohen Robustheitsanforderungen fehlen bislang belastbare Materialdaten unter realistischen Einsatzbedingungen.
Beitrag des Projekts
Das Verbundprojekt PoWer adressiert diese Lücke systematisch. Es untersucht das Potenzial von Wasserstoffmotoren speziell für den Offroad-Einsatz und erarbeitet Werkstoffdaten sowie Auslegungsrichtlinien, die eine sichere und langlebige Konstruktion ermöglichen. Das Fraunhofer IWM bringt dabei seine Expertise in der mechanischen Prüfung unter realer Hochdruck-Wasserstoffatmosphäre ein. Durch den Vergleich elektrolytischer und gasförmiger Wasserstoffbeladung werden praxistaugliche Prüfmethoden entwickelt, die künftig Entwicklungszeiten verkürzen und Kosten senken. Die Ergebnisse sind direkt relevant für Motorenhersteller, Zulieferer von Ventilen, Zylinderköpfen und Einspritzkomponenten sowie für die Normung wasserstofftauglicher Werkstoffe. Damit leistet PoWer einen wesentlichen Beitrag zur technologischen Souveränität Europas bei emissionsfreien Schwerlastantrieben und unterstützt die Klimaziele im Transportsektor.
Die Arbeitspakete des Fraunhofer IWM:
Werkstoffprüfung unter realer Wasserstoffatmosphäre:
Das Fraunhofer IWM führt umfassende Werkstoff- und Ermüdungsuntersuchungen in Hochdruck-Wasserstoffgas durch. Kernstück sind Low-Cycle-Fatigue-Versuche (LCF) und Slow-Strain-Rate-Tensile-Tests (SSRT) an verschiedenen Werkstoffklassen mittels innovativer Hohlprobentechnik. Diese Versuche liefern Ermüdungsdaten unter möglichst realitätsnahen Bedingungen, wie sie im Inneren von Wasserstoffmotoren herrschen. Die besondere Stärke des Fraunhofer IWM liegt in mechanischen Prüfungen unter kontrollierter Hochdruck-Wasserstoffatmosphäre. Eine Kompetenz, die innerhalb des Konsortiums derzeit nicht anderweitig verfügbar ist.
Wasserstoffanalytik und Mikroprobenuntersuchungen:
Ein zweiter Schwerpunkt liegt auf der hochauflösenden Wasserstoffanalytik mittels Trägergas-Heißextraktion (TGH) und thermischer Desorptions-Spektroskopie (TDS). Damit werden Wasserstoffkonzentrationen und Bindungsenergien in den untersuchten Werkstoffen bestimmt – auch an bereits im Betrieb gelaufenen Bauteilen (Ventilen). Durch die Mikroprobentechnik kann das IWM zudem lokale Werkstoffeigenschaften aus kritischen Bauteilzonen charakterisieren, die mit konventionellen makroskopischen Proben nicht zugänglich wären.
Methodenentwicklung und Projektbegleitung:
Übergeordnetes Ziel der IWM-Arbeiten ist die Entwicklung einer standardisierten Prüfmethodik für Werkstoffermüdung unter Wasserstoffeinfluss. Insbesondere wird systematisch erarbeitet, wann die experimentell einfachere elektrolytische Beladung als konservative Näherung ausreicht und wann die aufwendigere Druckwasserstoffprüfung unabdingbar ist. Diese methodische Grundlagenarbeit schafft die Basis für künftige Normen und industrielle Qualifizierungsverfahren.
Auf der Grundlage der Projektergebnisse kann das Fraunhofer IWM Industrieunternehmen folgende Forschungs- und Entwicklungsleistungen anbieten:
Ermüdungsprüfung in Hochdruck-Wasserstoff für Motorenkomponenten
LCF- und SSRT-Prüfungen an unternehmensspezifischen Werkstoffen unter realer Wasserstoffatmosphäre bis 300 bar, unter Bedingungen, die den tatsächlichen Betriebsverhältnissen wasserstoffführender Komponenten entsprechen.
Ihr Nutzen:
- Belastbare Lebensdauerdaten als Grundlage für eine sichere und gewichtsoptimierte Komponentenauslegung
- Vermeidung überdimensionierter Sicherheitsfaktoren durch werkstoff- und anwendungsspezifische Messdaten
- Frühzeitige Erkennung von Schädigungsrisiken und Vermeidung kostspieliger Feldausfälle
Lokale Werkstoffcharakterisierung mittels Mikroprobentechnik im Wasserstoff-Mikroautoklaven
Entnahme und Charakterisierung von Mikroproben aus kritischen Bauteilzonen, wie mechanisch bearbeiteten Randzonen, Schweißnähten oder Beschichtungsübergängen, unter Wasserstoffeinfluss.
Ihr Nutzen:
- Erstmalige Bestimmung der tatsächlichen lokalen Beanspruchbarkeit in den versagensrelevanten Bauteilbereichen — statt gemittelter Volumeneigenschaften
- Fundierte Grundlage für gezielte Prozessoptimierungen bei Bearbeitungsparametern und Wärmebehandlungen
- Steigerung der Wasserstoffresistenz auf Basis realer Bauteilgegebenheiten
Wasserstoffanalytik und Trap-Charakterisierung für die Werkstoffauswahl
Kombinierte TGH/TDS-Analysen zur quantitativen Bestimmung von Wasserstoffgehalten und Bindungsenergien in metallischen Werkstoffen.
Ihr Nutzen:
- Systematische Bewertung, welche Legierungen und Gefügezustände Wasserstoff effektiv in unschädlichen Traps binden und welche anfällig für wasserstoffinduzierte Schädigung sind
- Beschleunigung der Werkstoffauswahl und -qualifizierung für H₂-Anwendungen
- Belastbare Datengrundlage für Zulassungsverfahren und Normkonformität
Prüfmethodenberatung: Elektrolytische vs. Druckwasserstoffbeladung
Auf Basis der validierten Projektergebnisse berät das Fraunhofer IWM Unternehmen, welche Prüfmethode für den jeweiligen Werkstoff und Anwendungsfall geeignet ist und wann die aufwändigere Druckwasserstoffprüfung erforderlich ist.
Ihr Nutzen:
- Erhebliche Einsparung von Prüfkosten, wenn die einfachere elektrolytische Beladung als konservativer Ersatz validiert werden kann
- Reduktion von Qualifizierungszeiten und -kosten
