Geschlossene Prüfkette für die Untersuchung der Wasserstoffaufnahme aus Hochdruckumgebung: (a) Beladung einer idealisierten Modellprobe, (b) Messung per Trägergasheißextraktion in der 9. Abteilung, (c) Simulation einer Wasserstoffpipeline und Extrapolation des Betriebsverhalten
Quelle: BAM
Grüner Wasserstoff ist der Energieträger für die Zukunft. Wasserstoff hat jedoch eine geringe Energiedichte (12,7 MJ/m³), insbesondere im Vergleich zu Methan (40 MJ/m³), dem Hauptbestandteil von Erdgas. Um große Mengen von Wasserstoff zu transportieren, ist eine Verdichtung oder Verflüssigung erforderlich. Wasserstoffpartialdrücke von bis zu 200 bar sind in der Industrie üblich (z. B. für Gasflaschen), während in Zukunft ein Druck von bis zu 1.000 bar avisiert wird (z. B. Transport per Lkw-Trailer oder für Tankstellen). Eine der Herausforderungen für die Nutzung von Wasserstoff ist die Schaffung einer zuverlässigen und sicheren Infrastruktur, einschließlich Pipelines und Druckbehältern. Typischerweise werden hier verwendete metallische Werkstoffe unter hohem Druck Wasserstoffgas ausgesetzt und können durch Versprödung versagen. Das Verständnis der Mechanismen der Wasserstoffabsorption an der Metalloberfläche ist entscheidend für deren Vermeidung.
In dieser Studie wird dazu die Auswirkung der hohen Drücke in Form von erhöhten mechanischen Spannungen im Material auf Aufnahme von gasförmigem Wasserstoff in Metallen im Detail untersucht. Zu diesem Zweck wird eine verallgemeinerte Form des Sievert'schen Gesetzes aus thermodynamischen Potentialen abgeleitet, die den Effekt von mikrostrukturellen Fehlstellen (wie Einschlüssen) und multiaxialen Spannungen berücksichtigt. Die neue Gleichung wird dann parametrisiert und anhand experimenteller Daten für Baustähle verifiziert, die unter gasförmiger Wasserstoffatmosphäre bei unterschiedlichem Druck bis zu 1.000 bar beladen wurden. Die Rolle der mikrostrukturellen Einschlüsse auf die Parameter der Gleichung wird kritisch diskutiert. Als Endergebnis wurde eine parametrisierte Gleichung zur Berechnung der erhöhten Wasserstofflöslichkeit durch das Wirken höherer mechanischer Spannungen für idealisierte Geometrien aufgestellt, die zwei praktische Anwendungsfälle in Form einer dünnwandigen Rohrleitung und eines dickwandigen Druckbehälters während des Betriebs darstellen. Die Ergebnisse zeigen, dass die gemessenen und berechneten Wasserstoffkonzentrationen in Rohren und Druckbehältern bis zu 0,3 Gewichts-ppm bei 200 bar und 0,6 Gewichts-ppm bei 1.000 bar nicht vernachlässigbar sind und eine sorgfältige Prüfung und Berücksichtigung bei der Bewertung der Wasserstoffversprödungsanfälligkeit erfordern. Die Studie erfolgte im Rahmen der laufenden Wasserstoffkooperation der BAM mit der Technischen Universität Graz, Österreich.
Enhanced gaseous hydrogen solubility in ferritic and martensitic steels at low temperatures
A Drexler, Florian Konert, Oded Sobol, Michael Rhode, J Domitner, C Sommitsch, Thomas Boellinghaus
veröffentlicht in The International Journal of Hydrogen Energy, Band 47, Heft 93 Seiten 39639 - 39653
BAM Komponentensicherheit und Versuchsanlagen und Prüftechnik