Die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger ist abhängig von sicheren Infrastrukturen für dessen Speicherung und Transport. Werkstoffe und Bauteile für Druckbehälter und Rohrleitungen von gasförmigem Wasserstoff müssen hinsichtlich ihrer Anfälligkeit für Wasserstoffversprödung getestet und qualifiziert werden. Aktuell werden viele Komponenten, die mit Druckwasserstoff in Kontakt kommen, sehr konservativ ausgelegt oder sehr zeit- und kostenintensiven mechanischen Bruch- und Ermüdungsprüfungen unterzogen. Die Qualifizierung neuer Werkstoffe für Wasserstoffanwendungen kann mehrere Jahre in Anspruch nehmen. Die Materialcharakterisierung und -qualifizierung ist daher für den Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft ein Erfolgsfaktor.
Genau hier setzt das Forschungsprojekt HyLife an, eine Kooperation des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM mit dem National Institute for Standards and Technology (NIST) in den USA, das gerade begonnen hat und bis 2028 laufen wird. Die Fraunhofer-Gesellschaft fördert in ihrem Forschungsprogramm ICON – International Cooperation and Networking – die strategische Zusammenarbeit zwischen Fraunhofer und einem herausragenden internationalen Forschungspartner.
Übergreifendes Ziel von HyLife sind weniger konservative, dennoch zuverlässige Konstruktionsrichtlinien für Komponenten, die unter Druckwasserstoff betrieben werden. Dafür werden schnellere und aussagekräftigere Qualifizierungskonzepte für Bauteile von Wasserstoffinfrastrukturen entwickelt. Die Vorteile liegen auf der Hand: Materialeffizientere Konstruktion von Infrastrukturen, zeit- und kosteneffiziente Qualifizierung von Komponenten unterstützen den beschleunigten Aufbau der nachhaltigen Energiewirtschaft.
Der Schlüssel dafür ist ein validiertes physikalisches Vorhersagemodell für die Lebensdauer von Stahlteilen mit Schweißnähten. Mit dem Modell soll die Schädigung von Materialien im Kontakt mit Wasserstoff auf Basis ihrer Mikrostruktur und einiger physikalischer Kenndaten zuverlässig vorhergesagt werden. Dies soll ein Paradigmenwechsel in der Lebensdauerprognose werden und den Bedarf aufwendiger und teurer Versuche zur Entstehung und Ausbreitung von Rissen für die Sicherheitsbewertung verringern. Die Folge: gesenkte Produktionskosten und beschleunigte Innovationszyklen.
Auf dem Weg zum Modell kommt eine innovative Mikroproben-Prüftechnik des Fraunhofer IWM zur Bestimmung der Bruchzähigkeit und des Risswachstums zum Einsatz. Die Messergebnisse werden mit einzigartigen Hochdurchsatz-Ermüdungstests auf der Makroskala des NIST abgeglichen. Auch bei der präzisen Messung der Dekohäsion mechanisch belasteter Korngrenzen, die zu einem besseren Verständnis von lokalen Schädigungen durch Wasserstoff führen soll, ergänzen sich die Partner bei der Mikrostrukturanalyse, Materialdatenverwertung und Modellbildung. Ziel ist, dass das Vorhersagemodell mit weniger Materialkenndaten auskommt und gleichzeitig die wasserstoffinduzierte Entstehung und Ausbreitung von Rissen auf der Mikroskala besser berücksichtigt.
Der Projektplan sieht vor, dass das HyLife-Modell direkt in den Normen ASME B31.12 und ISO 11114-4 für die Auslegung von Bauteilen Anwendung findet, und so die Sicherheit und Effizienz in der Wasserstoffwirtschaft erhöht.
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
