Wasserstoff entwickelt sich derzeit von einem Zukunftskonzept hin zu einer kommerziellen Infrastruktur. Dieser Wandel bringt Werkstoff- und Konstruktionsherausforderungen zutage, für deren Bewältigung herkömmliche Erdgasbauteile nie ausgelegt waren. Da Betreiber planen, Wasserstoff bestehenden Netzen beizumischen oder eigene Transportnetze aufzubauen, haben sich die Leistungsanforderungen an Verdichter, Ventile und Dichtelemente verändert. Zuverlässigkeit ist hierbei unverzichtbar, denn Wasserstoff verhält sich anders als andere Industriegase. Er permeiert leichter, entweicht durch mikroskopisch kleine Pfade, führt infolge extrem breiter Temperatur- und Druckbereiche zu stärkeren Druck- und Temperaturwechseln und besitzt für bewegte Bauteile nahezu keine Schmierwirkung. Dadurch werden herkömmliche Elastomere, Thermoplaste und Metallbauteile mechanisch und chemisch erheblich belastet.
Für den Aufbau einer zuverlässigen Wasserstoffinfrastruktur sind Werkstoffe und Produkte erforderlich, die gezielt auf das molekulare Verhalten von Wasserstoff und die auftretenden mechanischen Lasten ausgelegt sind. Ebenso sind Konstruktionsstrategien gefragt, die Bewegung, Druck, Temperatur und das Zusammenwirken der Bauteile berücksichtigen. Die Industrie konzentriert sich zunehmend auf die Entwicklung solcher Lösungen, indem sie Elastomere, Thermoplaste und Verbundwerkstoffe mit modernen Modellierungswerkzeugen kombiniert. So lassen sich Leckagen verringern, die Lebensdauer von Bauteilen verlängern und der sichere Ausbau von Wasserstoffpipelines unterstützen.
Die geringe molare Masse von Wasserstoff bringt auch bei der Zentrifugalverdichtung neue Herausforderungen mit sich. Für eine nennenswerte Verdichtung sind wesentlich höhere Umfangsgeschwindigkeiten erforderlich als bei Luft oder Erdgas. Mit zunehmender Umfangsgeschwindigkeit steigt jedoch die Belastung der Laufräder stark an. Bei den für Wasserstoff erforderlichen Geschwindigkeiten können die Spannungen in Metalllaufrädern deren mechanische Festigkeitsgrenzen überschreiten. Daher ist die Zentrifugalverdichtung von Wasserstoff mit herkömmlichen Metallkonstruktionen äußerst problematisch. Zusammengenommen schaffen diese Faktoren eine derart anspruchsvolle Betriebsumgebung, dass herkömmliche Elastomere, Polyimide, PTFE-Mischungen sowie Metallbauteile für den Wasserstoffeinsatz mitunter ungeeignet sind und für einen erfolgreichen Betrieb spezialisierte Werkstofftechnik oder besondere Konstruktionen erfordern.
Pipelineverdichtung und Transportanforderungen
Beim Pipeline-Transport stellen diese wasserstoffspezifischen Eigenschaften besondere Anforderungen an Verdichtungssysteme. Anders als Verdichter am unmittelbaren Einsatzort in industriellen Prozessen müssen Verdichterstationen in Pipelines den Durchfluss und Druck über große Entfernungen aufrechterhalten und zugleich auf schwankenden Bedarf und wechselnde Betriebsbedingungen reagieren. Aufgrund der geringen molaren Masse und der hohen Diffusivität von Wasserstoff können Druckverluste schneller auftreten als bei Erdgas. Damit steigt die Bedeutung der Verdichterstationen für die Stabilisierung der Systemleistung. Diese Stationen müssen über einen großen Druck- und Temperaturbereich arbeiten und wechseln beim Anfahren, Abfahren oder bei Laständerungen häufig zwischen stationärem Betrieb und transienten Zuständen. Verdichter, Ventile und Dichtelemente in Pipeline-Verdichterstationen sind daher regelmäßig mechanischen und thermischen Wechselbelastungen ausgesetzt. Diese können den Verschleiß beschleunigen und das Leckagerisiko erhöhen, wenn die Bauteile nicht speziell für den Wasserstoffeinsatz ausgelegt sind.
Verdichterstationen sind zugleich kritische Zuverlässigkeitsknoten in Wasserstoff-Pipelinenetzen. Ventile, Dichtungen und dynamische Bauteile sind dort mit einigen der anspruchsvollsten Betriebsbedingungen des gesamten Transportsystems konfrontiert, insbesondere wenn Pipelines entlegene oder schwer zugängliche Gebiete durchqueren. Unplanmäßige Stillstände an Verdichterstationen können die Wasserstoffversorgung in großen Teilen eines Netzes unterbrechen. Deshalb sind Bauteilzuverlässigkeit und planbare Wartungsintervalle für Betreiber besonders wichtig. In diesem Zusammenhang beeinflusst die Werkstoffleistung sowohl die Betriebssicherheit als auch die Gesamtbetriebskosten unmittelbar. Bauteile müssen Druckwechseln, Temperaturschwankungen und Wasserstoffpermeation über eine lange Einsatzdauer standhalten und zugleich ihre Dichtheit bewahren, um Verluste und die Wahrscheinlichkeit unplanmäßiger Maßnahmen zu verringern.
Warum sich Wasserstoff anders verhält
Wasserstoff ist das kleinste Molekül. Aufgrund seiner geringen Größe kann er Polymermatrizes beziehungsweise Aggregate von Polymerketten schneller durchdringen als andere Gase und durch „Sprünge“ zwischen Hohlräumen im freien Volumen entweichen, das in jedem Polymersystem vorhanden ist. Die nahezu fehlende Schmierwirkung des Wasserstoffmoleküls stellt zudem Kolbenverdichter vor große Herausforderungen: Sie müssen ohne Schmieröl arbeiten, damit der Gasstrom nicht verunreinigt wird. In solchen Betriebsumgebungen sind Kolbenringe und Führungs- beziehungsweise Verschleißringe hohen Reibungslasten ausgesetzt; ungeeignete Werkstoffe können somit rasch verschleißen.
O-Ringe
Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass Wasserstoffsysteme häufig über größere Temperatur- und Druckbereiche betrieben werden als Infrastrukturen für andere Industriegase. Bei der Betankung und Speicherung werden bei Temperaturen um −40 °C oft Drücke von 700 bar erreicht. In Verdichterstufen können Gastemperaturen von mehr als 150 °C auftreten, während flüssiger Wasserstoff extreme kryogene Bedingungen nahe −253 °C mit sich bringt. Werkstoffe müssen deshalb über einen der breitesten Betriebsbereiche industrieller Anwendungen hinweg flexibel und zäh bleiben und ihre Dichtwirkung bewahren.
Wo herkömmliche Werkstoffe an ihre Grenzen stoßen
Bauteile in Wasserstoffverdichtern und -ventilen versagen in der Regel aus vorhersehbaren Gründen. Standardelastomere können bei schneller Dekompression, wie sie bei Hochdruckwechseln häufig auftritt, reißen oder Blasen bilden. Wasserstoff kann Metalle verspröden und damit das Risiko eines plötzlichen Bruchs erhöhen. Ventilsitze auf PTFE-Basis können sich bei hohen Temperaturen und Drücken infolge von Kriechen verformen oder abflachen, sodass ein zuverlässiges Öffnen und Schließen nicht mehr gewährleistet ist. Polyimide und Polyamidimide weisen zwar bei erhöhten Temperaturen eine hohe Festigkeit auf, können jedoch Feuchtigkeit aufnehmen und unter Bedingungen, wie sie bei der Wasserstofferzeugung oder -verdichtung üblich sind, erweichen oder ihre strukturelle Integrität verlieren. Langzeitkriechen infolge des Zusammenwirkens von Zeit, Temperatur und Umgebungseinflüssen verkürzt zudem die Lebensdauer anderer Polymere.
Diese unterschiedlichen Versagensmechanismen – Kriechen in Verbindung mit chemischen und thermischen Einflüssen – können Leckagen verursachen, die Wartungsintervalle verkürzen und damit häufigere Austauschmaßnahmen erforderlich machen oder sogar zu einem unplanmäßigen Anlagenstillstand führen. Für Pipelinesysteme sind solche Probleme kostspielig und potenziell gefährlich. Da sich die meisten wasserstoffspezifischen Normen noch in der Entwicklung befinden, können Betreiber nicht ausschließlich auf vorgeschriebene Werkstofflisten oder Konstruktionsrichtlinien zurückgreifen. Solange diese Normen weiterentwickelt werden, müssen sie sich bei der Beurteilung der Werkstoffeignung auf ingenieurtechnische Erfahrung und nicht allein auf präskriptive Regelwerke stützen.
Für Wasserstoff entwickelte Werkstoffplattformen
Zur Bewältigung vieler dieser Herausforderungen wurde eine maßgeschneiderte Palette aus Elastomeren, Thermoplasten und Verbundwerkstoffen eigens für den Wasserstoffeinsatz entwickelt. Hochtemperatur-FKM-Elastomere wie Fusion 938 sind beständig gegen schnelle Gasdekompression (Rapid Gas Decompression, RGD) und bewahren ihre mechanischen Eigenschaften bis 232 °C. Für sehr tiefe Temperaturen bewahrt EPM 893 seine Dichtwirkung bis −55 °C und eignet sich somit für Betankungsanlagen, Speichersysteme und Ventile, die starken Druckwechseln ausgesetzt sind.
Vernetzte Thermoplaste auf PEEK-Basis bilden eine weitere wichtige Werkstofffamilie. Plattformen wie Arlon 3000XT, die auf patentierten Vernetzungsverfahren basieren, sind so formuliert, dass sie bei gleichzeitiger Einwirkung von Temperatur und chemischen Medien eine höhere Kriechbeständigkeit und langfristige Maßhaltigkeit bieten. Dies ist besonders in Umgebungen von Bedeutung, in denen Polyimide zum Erweichen oder Abbau neigen. Für stark verschleißbeanspruchte Bauteile, etwa Kolbenringe in Kolbenverdichtern, bieten gleitmodifizierte, vernetzte PEEK-Typen wie Arlon 3555XT eine höhere Verschleißbeständigkeit im ölfreien Wasserstoffbetrieb. Für Anwendungen, die bei erhöhten Temperaturen eine größere Steifigkeit erfordern, beispielsweise Ventilsitze und Dichtbauteile, bietet das glasgefüllte, vernetzte PEEK Arlon 3160XT eine verbesserte Hochtemperatur-Kriechbeständigkeit.
Jeder dieser Werkstoffe wurde für eine bestimmte Kombination aus Temperatur, Druck, Bewegung und chemischer Einwirkung entwickelt und trägt damit der großen Bandbreite an Betriebsbedingungen innerhalb der Wasserstoffinfrastruktur Rechnung.
Verbundwerkstoff-Laufräder für die Zentrifugalverdichtung
Wie bereits erläutert, stellen die für die Wasserstoffverdichtung erforderlichen hohen Umfangsgeschwindigkeiten Zentrifugalverdichter vor besondere Herausforderungen. Herkömmliche Metalllaufräder sind in puncto Dichte und Zugfestigkeit begrenzt: Bei den benötigten Umfangsgeschwindigkeiten können die Spannungen die Zugfestigkeit des Metalls überschreiten und ein Totalversagen auslösen. Verbundwerkstoffe bieten eine Alternative, da ihre geringere Laufradmasse höhere Drehzahlen ermöglicht. Mit spezialisierten Fertigungsverfahren wurden Verbundwerkstoff-Laufräder bereits bei Umfangsgeschwindigkeiten von bis zu 688 Metern pro Sekunde erprobt. Dadurch wird die Zentrifugalverdichtung in Anwendungen möglich, in denen Metallkonstruktionen an ihre strukturellen Grenzen stoßen. Zugleich lässt sich die erforderliche Anzahl an Verdichterstufen reduzieren, was kompaktere und leichtere Verdichterkonfigurationen ermöglicht.
Leistung durch prädiktive Modellierung und Prüfungen bestätigt
Da sich wasserstoffspezifische Normen noch in der Entwicklung befinden, spielen ausführliche Tests und Simulationen bei der Werkstoffauswahl eine wesentliche Rolle. Im Rahmen von Wasserstoff-Prüfprogrammen des US-Energieministeriums, die über nationale Labore der USA durchgeführt wurden, unterzog man einige Werkstoffe Druckwechselprüfungen bis 870 bar. Damit wurden Permeation, Quellung und mechanischer Abbau unter realistischen Bedingungen bewertet. Weitere Qualifizierungen erfolgten nach ISO 17268 für Elastomere in Wasserstoff-Betankungsstationen sowie nach ISO 23936 hinsichtlich der Alterung von Bauteilen infolge schneller Gasdekompression (RGD) und Medienberührung.
Prädiktive Werkzeuge, darunter Finite-Elemente-Analysen mit hochentwickelten Werkstoffmodellen, numerische Strömungsmechanik und Lebensdauermodellierung, ergänzen empirische physikalische Prüfungen. Mit diesen Methoden können Ingenieure Verschleißraten, Wartungsintervalle und Verformungsmuster abschätzen, bevor physische Prototypen gefertigt werden. Dies trägt dazu bei, ein zuverlässiges Betriebsverhalten in Pipelinesystemen sicherzustellen.
Fallbeispiele für Werkstoffverbesserungen
Betriebserfahrungen verdeutlichen die Vorteile von Werkstoffen, die speziell für Wasserstoff entwickelt wurden. In einer Anwendung mit Ventilsitzen für reinen Wasserstoff bei Betriebstemperaturen zwischen 45 und 150 °C wurden Standardwerkstoffe auf PTFE- und PEEK-Basis infolge von Druckkriechbelastung flachgedrückt oder verschmolzen und blockierten dadurch das Ventil. Arlon 3000XT wurde als Alternative untersucht und bestand als einziger Werkstoff die Verformungsprüfung unter Last. Der Werkstoff behielt seine Form und Dichtwirkung bei, verhinderte ein Festsitzen des Ventils und unterstützte damit einen sicheren Betrieb.
Unter Verdichterbedingungen hat Arlon 3555XT gegenüber Vergleichswerkstoffen eine höhere Verschleißbeständigkeit gezeigt, die längere Wartungsintervalle ermöglichen dürfte. Die Entwicklung von Verbundwerkstoff-Laufrädern befindet sich noch in der Praxisvalidierung. Erste Ergebnisse bestätigen jedoch bereits, dass ihre Eignung für hohe Drehzahlen einen klaren Vorteil bei der Überwindung der Grenzen von Metallbauteilen bietet.
Auswirkungen auf Zuverlässigkeit und Gesamtbetriebskosten
Wasserstoffpipelines bergen an jeder Stelle Risiken, an der Dichtheit erforderlich ist. Leckagen verringern die Effizienz und erhöhen die Sicherheitsrisiken, da Wasserstoff hochentzündlich ist und bei ungeeigneten Werkstoffen und/oder Konstruktionen schnell diffundiert. Die Kosten durch verlorenen Wasserstoff und unplanmäßige Stillstände summieren sich rasch. Durch eine höhere Verschleißbeständigkeit, ein verbessertes Kriechverhalten, chemische Stabilität und die Kontrolle der Permeation wirken sich speziell entwickelte Werkstoffe unmittelbar auf die Zuverlässigkeit der Anlagen aus. Eine längere Lebensdauer von Dichtungen, Verschleißteilen und Ventilsitzen kann die Zahl der nötigen Wartungsmaßnahmen und damit die Gesamtbetriebskosten senken. Eine verbesserte Maßhaltigkeit gewährleistet zudem eine gleichmäßige Ventilbetätigung, reduziert die Anzahl der Stillstände und erhöht die Anlagenverfügbarkeit. Verbundwerkstoff-Laufräder erweitern die Konstruktionsgrenzen der Zentrifugalverdichtung und ermöglichen effizienter gestaltete Anlagen.
Nutzung branchenübergreifender Erfahrung
Die Arbeit im Wasserstoffsektor muss zunehmend auf jahrzehntelange Erfahrung aus anderen anspruchsvollen Branchen zurückgreifen, darunter Halbleiterfertigung, Luft- und Raumfahrt sowie Öl- und Gasförderung. Etablierte Qualitätssicherungssysteme unterstützen die Rückverfolgbarkeit und Konsistenz der Werkstoffe von der Formulierung bis zum fertigen Bauteil. Zugleich sind für Halbleiteranwendungen entwickelte Reinheitsverfahren für die Erzeugung und Umwandlung von Wasserstoff von großer Bedeutung, da extrahierbare Metallverunreinigungen Katalysatoren in Elektrolyseuren und Brennstoffzellensystemen vergiften können. Die Verbindung von chemischer Fachkompetenz, Werkstoffwissenschaft, mechanischer Konstruktion und Prüftechnik bildet die Grundlage dieses integrierten Entwicklungsmodells. Sie ermöglicht ein frühzeitiges Verständnis der Versagensmechanismen und unterstützt präzise Simulationen und die experimentelle Validierung.
Unterstützung des Übergangs zur Wasserstoffinfrastruktur
Mit dem Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur wird die Branche zunehmend auf maßgeschneiderte Werkstoffe, interdisziplinäres Engineering und anwendungsorientierte Bauteilkonstruktionen angewiesen sein. Wirksame Dichtungs- und Bauteillösungen müssen Permeation, Verschleiß, schnelle Lastwechsel, Versprödung sowie extreme Druck- und Temperaturkombinationen berücksichtigen. Erfahrung aus anspruchsvollen Betriebsumgebungen trägt zusammen mit hochentwickelten Modellierungswerkzeugen und wasserstoffspezifischen Werkstoffplattformen zu sichereren und zuverlässigeren Systemen bei. Bis die einschlägigen Normen vollständig etabliert sind, bleibt ingenieurtechnisches Urteilsvermögen unerlässlich, damit die Bauteile die besonderen Betriebsanforderungen der Wasserstoffverdichtung und des Pipeline-Transports erfüllen.
