Darauf werden Konstrukteure und Entwickler seit Längerem warten: Praxistaugliche und leicht anwendbare Konstruktionsrichtlinien, die es Unternehmen erlauben, neue Bauteile wie Armaturen, Behälter, Gehäuse oder Leitungen ohne zeit- und kostenintensive Einzelfreigaben und Bauteiltests für den Einsatz unter Druckwasserstoff zu qualifizieren. Bestehende Auslegungsrichtlinien führen aufgrund von oft pauschalen Vorgaben zu überdimensionierten Bauteilen und damit zu einem hohen Materialeinsatz oder sie berücksichtigen den Wasserstoffeinfluss überhaupt nicht, was Einzelfallprüfungen nach sich zieht und damit lange Entwicklungszeiten. Insbesondere sichere Schweißnähte, die als Verbindungselemente in fast allen Maschinenkomponenten vorkommen und bei nahezu allen Komponenten der Wasserstoffinfrastruktur direkt mit Wasserstoff in Kontakt stehen, sind hier kritische Konstruktionselemente und mit Blick auf den Aufbau der H2-Infrastruktur in Deutschland ein limitierender Faktor.
Genau hier setzt das Forschungsprojekt H2WeldEng an, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des 8. Energieforschungsprogramms gefördert wird. Ziel sind Auslegungsrichtlinien, die allgemein auf Schweißnähte und Maschinenbaukomponenten anwendbar sind und dem lebensdauermindernden Einfluss von Wasserstoff Rechnung tragen.
Zur belastungsgerechten Konstruktion von Schweißnähten sind die sogenannten FAT-Klassen der Richtlinie des IIW (International Institute of Welding) weitverbreitet und etabliert. Die FAT-Klassen beschreiben die Ermüdungsfestigkeit für eine Vielzahl von Schweißdetails und stellen eine gute Ausgangsbasis für die Formulierung eines universellen Auslegungskonzeptes für Schweißverbindungen unter Druckwasserstoff dar.
Im Projekt werden diese etablierten Richtlinien so weiterentwickelt, dass sie für H2-Anwendungen geeignet sind. Dazu werden Prüfkonzepte erarbeitet, um die Ermüdungsfestigkeit von Schweißnahtdetails unter H2-Atmosphäre experimentell zu bestimmen. Zur Festigkeitsbewertung wird eine Datenbank mit Kennwerten verschiedener Schweißdetails aufgebaut. Die Wechselwirkung zwischen der mechanischen Beanspruchung der Schweißnaht und der Wasserstoffdiffusion wird simuliert. FAT-Klassen und Bewertungsrichtlinien für Schweißnähte werden rechnerisch abgeleitet und experimentell validiert. Diese werden schließlich an verschiedenen Demonstratoren aus den Unternehmen des Projektkonsortiums erprobt.
Die im Projekt erarbeiteten Methoden tragen somit erheblich zum effizienten und zielgerichteten Aufbau der Wasserstoffinfrastruktur, zur Reduktion der Entwicklungszeiten und zur Materialeinsparung bei. Der damit verbundene ökologische Impact beträgt für eine beispielhafte Rechnung für die Rohrleitungen des geplanten deutschen Wasserstoffkernnetzes von knapp 10.000 km Leitungslänge rund 2 Millionen Tonnen eingespartes CO2, ausgehend von einer angenommenen Reduktion der Wanddicke von bis zu 30 Prozent auf Basis optimierter Auslegungskriterien.
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM