Forschung zum Energieträger der Zukunft

 Im Projekt „H₂-Substitution II“ untersuchte ein Forschungsteam der TH Köln, wie sich Wasserstoff auf industrielle Anlagen auswirkt.

© Institut für Werkstoffanwendung 

Köln, 16. Dezember 2021. Erneuerbare Energien aus Wind und Sonne unterliegen hohen Fluktuationen und benötigen deswegen Speichertechnologien. Eine Lösung ist, dass überschüssiger, regenerativ erzeugter Strom mittels Elektrolyse in Wasserstoff umgewandelt wird. Dieser lässt sich in lokalen Gastanks speichern und in das Erdgasnetz einspeisen. Das vorhandene Erdgasnetz wird dabei zum funktionalen Stromspeicher. Dieses Verfahren wird auch Power-to-Gas genannt. Mögliche Auswirkungen von Wasserstoff auf die metallischen Werkstoffe der Rohrleitungsinstallationen und Gasdruckregelanlagen wurden im Forschungsprojekt untersucht. Überprüft wurde, ob unerwünschte Beeinflussungen wie das Eindiffundieren von Wasserstoff in die metallischen Werkstoffe und eine damit verbundene Materialversprödung die Industrieanlagen beschädigen könnten.

Untersuchung zur Versprödung

Zunächst wurde ermittelt, welche Standard-Werkstoffe sich in den industriellen Anlagen befinden. Insgesamt wurden neun Werkstoffe ausgewählt. Dabei handelt es sich um klassische Baustähle sowie Kupfer. Als Nachweisverfahren für mögliche Versprödungen wurde eine Methodik aufgebaut, sogenannte Zugversuche mit langsamen Dehnraten. Zugversuche als Verfahren der Werkstoffprüfung dauern üblicherweise nur einige Minuten, wurden hier jedoch auf einen Tag ausgedehnt, da die Wasserstoffatome erst mit genügend Zeit diffundieren. Der Wasserstoffgehalt im Gasgemisch wurde stufenweise erhöht: von 0, 10, 30, 70 bis zu 100 Prozent. Die Versuche gaben Entwarnung: „Wir konnten bei den verwendeten Werkstoffen keine Wasserstoffversprödung feststellen. Für Baustähle, die bei Rohrleitungen und Armaturen unter H₂-Druck verwendet werden, ist das Erdgas-Wasserstoff-Gemisch unkritisch. Eine Umrüstung auf Wasserstoff-Beimischung ist ohne negative Effekte für metallischen Werkstoffe möglich“, sagt Projektleiter Prof. Dr. Martin Bonnet vom Institut für Werkstoffanwendung. Eine Wärmebehandlung mit bis zu 920 °C lieferte ein weiteres Ergebnis: „Bei erhöhten Temperaturen steigt die Diffusionsgeschwindigkeit des Wasserstoffs im Metallgitter, sodass der Wasserstoff angeregt wird, aus dem Metallgitter zu diffundieren“, so Bonnet weiter.

Nachhaltigkeit 

Die Wasserstoffzufuhr ist im Hinblick auf eine nachhaltige Gestaltung der Industrie ein wichtiger Lösungsansatz: „Beim Verbrennen eines Erdgas-Wasserstoff-Gemischs wird weniger CO₂ freigesetzt als bei reinem Erdgas. Die Zumischung gilt im Zuge der Energiewende als Maßnahme, um CO₂ einzusparen. Dieser Umstand gewinnt vor dem Hintergrund der CO₂-Zertifizierung von Industrieanlagen immer mehr an Bedeutung“, erläutert Bonnet.

Projektförderung

Das Projekt „Untersuchung der Auswirkung von Wasserstoff-Zumischungen ins Erdgasnetz auf industrielle Feuerungsprozesse in thermoprozesstechnischen Anlagen – Auswirkungen auf die Produktqualität von metallischen Werkstoffen und die gasführende Installation“, kurz H₂-Substitution II, wurde vom Institut für Werkstoffanwendung der TH Köln in Kooperation mit dem Gas- und Wärme-Institut Essen e.V. (GWI) durchgeführt. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie förderte das Projekt über zwei Jahre im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM).

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