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Darum braucht Grüner Wasserstoff rostfreien Edelstahl

Werkstoffe
Darum braucht Grüner Wasserstoff Komponenten aus rostfreiem Edelstahl

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Spezielle Klemmringverschraubungen aus Edelstahl widerstehen sogar extremen Drücken mit gleichzeitiger Vibrationsresistenz. Bild: WZV/Schwer Fittings

Grüner Wasserstoff gilt als Hoffnungsträger bei der Suche nach Energieträgern für alternative Antriebe, nach Ersatz für fossile Brennstoffe und Speichermöglichkeiten für erneuerbare Energien. Damit aus dieser Hoffnung Realität wird, müssen neben der erforderlichen Infrastruktur großtechnische Produktionsanlagen und entsprechend umgerüstete Industrieanlagen geschaffen werden. Die hierfür eingesetzten Komponenten erfordern wasserstoffresistente Eigenschaften. Rostfreier Edelstahl in anwendungsspezifisch ausgelegter Güte ist hierfür ein geeigneter Werkstoff.

Komponenten aus Edelstahl Rostfrei verhindern Gasaustritt

Komponenten aus anwendungsbezogen ausgelegtem Edelstahl Rostfrei widerstehen durch ihre Gefügestruktur sowohl Permeation als auch Degradation dauerhaft. So verhindern sie schleichenden Gasaustritt und schützen die Bauteile durch gleichbleibend hohe Festigkeit, Duktilität und Homogenität vor Versprödung. Standardmäßig kommen für Komponenten, die mit Wasserstoff in Berührung kommen, die nichtrostenden austenitischen Edelstähle der Güte 1.4435, 1.4404 und 1.4307 zum Einsatz. Für besonders kritische Anwendungen mit extremen Korrosionsanforderungen sind die Güten 1.4439, 1.4462 (Duplex) und 1.4410 (Superduplex) bewährt.

Vielfältiges Potenzial

Der Bedarf an grünem Wasserstoff wird in den nächsten Jahren rasant steigen. Er wird klimaneutral aus 100 % erneuerbaren Energien erzeugt – auch aus Energieüberschüssen von Wind- und Solarkraftwerken. Als Ausgangsstoff für Power-to-X-Prozesse soll grüner Wasserstoff durch grauen Wasserstoff, also Wasserstoff auf Basis fossiler Energieträger, in bisherigen Anwendungsfeldern ersetzen. Dafür spricht auch, dass er, gemessen an seinem Volumen, sehr große Mengen an Energie speichern und transportieren kann. Der emissionsfreie gasförmige oder flüssige Brennstoff soll anstelle von Erdöl und -gas Gebäudeheizungen und Industrieöfen befeuern. Auch für die großtechnische Herstellung von Grundchemikalien wie grünem Ammoniak oder grünem Methanol soll er eingesetzt werden. In Brennstoffzellen wird grüner Wasserstoff in elektrischen Strom umgewandelt, ein Verfahren, das beispielsweise als Antrieb von Elektromotoren für Lkw und Busse kurz vor der Serienreife steht. Fahrzeuge mit Wasserstoffverbrennungsmotoren nutzen die Umwandlung seiner chemischen in mechanische Energie direkt als Antriebsenergie.

Große Herausforderungen

Gängigstes Herstellungsverfahren für Wasserstoff ist die Elektrolyse. Die Alkalische Elektrolyse (AEL) verwendet Kalilauge als Elektrolyt und eine poröse Membran (Diaphragma), die Anode und Kathode voneinander trennt. Bei der Proton-Exchange-Membrane-(PEM-)Elektrolyse dient eine elektrisch leitfähige Membran als eine für Ionen durchlässige Trennschicht und ersetzt somit das Bad. Für die Erzeugung der künftig benötigten Wasserstoffmenge muss nicht nur die Elektrolysekapazität exponentiell vergrößert werden, sondern auch die Bereitstellung der dafür erforderlichen erneuerbaren Energie. Forschung und Industrie arbeiten deshalb mit Hochdruck daran, eine ausreichende Wasserstoff-Infrastruktur zu schaffen und die Effizienz bestehender Systeme zu verbessern. Eine Vielzahl an Projekten ist derzeit in der Planung oder bereits im Prototypenstadium, um in den nächsten Jahren zur benötigten gigantischen Gesamterzeugungsleistung beizutragen. Zur Steigerung des Wirkungsgrads der Elektrolyse-Prozesse gilt den eingesetzten Materialien sowie dem Design von Katalysatoren und Bipolarplatten besonderes Augenmerk.

Rostfreier Edelstahl widersteht Permeation und Degradation dauerhaft

Die spezifischen Eigenschaften von Wasserstoff stellen an die für Elektrolyseure, Fluidsysteme, Tanks, Anlagen und Armaturen eingesetzten Werkstoffe und deren Verarbeitung höchste Anforderungen. So erfordert die hohe Diffusionsfähigkeit des Gases eine zuverlässige Gasdichte aller Komponenten, um Verluste sowie Explosions- oder Brandgefahr durch austretenden Wasserstoff zu vermeiden. Bei vielen Metallen können Wasserstoffatome den Werkstoff durchdringen (Permeation) und dadurch seine mechanischen Eigenschaften erheblich beeinträchtigen: Bereits bei einer Wasserstoffkonzentration von wenigen ppm entsteht dadurch Korrosion mit der Folge einer vorzeitigen Materialermüdung (Degradation). Sie führt zu Rissbildung und Sprödbruch und bedeutet deshalb ein unvertretbares Sicherheitsrisiko. Komponenten aus anwendungsbezogen ausgelegtem Edelstahl Rostfrei hingegen widerstehen wie eingangs erwähnt durch ihre Gefügestruktur sowohl Permeation als auch Degradation dauerhaft.

Produktion und Nutzung

Gehäusekomponenten für Elektrolyseure werden ebenso wie Rohrbündel-Wärmetauscher aus Edelstahl in den Standardgüten gefertigt. Hocheffiziente Plattenwärmetauscher für die Produktion von Wasserstoff mittels PEM- oder AEL-Verfahren oder Aufgaben mit sehr hohen Reinheitsanforderungen bestehen komplett aus hochlegierten nichtrostenden Stählen. Dank ihrer besonderen Korrosionsbeständigkeit widerstehen diese sogar extremen Druckunterschieden und Temperaturen. Auch Wärmeübertragungslösungen für die Rückgewinnung der Energie aus den Elektrolyseuren und ihre Nutzung in Brennstoffzellen oder anderen Power-to-X-Lösungen benötigen für eine dauerhafte Resistenz gegen Korrosion, Temperaturschwankungen und Ermüdung Konstruktionen aus Edelstahl Rostfrei. Wärmeüberträger mit Leiterplatten werden in der gesamten Energiekette von Wasserstofftankstellen eingesetzt. Dabei müssen sie durch Druck und Strömung der Flüssigkeit hervorgerufenen Vibrationsbelastungen sowie Drücken bis 1000 bar und Temperaturen von –196 Grad bis +800 °C standhalten. Dank ihrer robusten Vollkonstruktion aus Edelstahl erfüllen sie diese Aufgabe mit der gebotenen Zuverlässigkeit. Bipolarplatten umschließen beidseitig sowohl die Membran-Elektroden-Einheit im Elektrolyseur als auch Brennstoffzellen für den Antrieb von Fahrzeugen. Ihre durch zahlreiche Kanäle für den Flüssigkeits- und Gastransport sehr komplexe Geometrie bedingt den Einsatz von nichtrostendem Stahl, der höchste Reinheitsanforderungen erfüllt. Bei der hier verwendeten Materialdicke von 70 bis 100 µm könnten bei der Formgebung der Gaskanäle Einschlüsse die Umformeigenschaften negativ beeinträchtigen. Bewährt haben sich für diese Anwendung Präzisionsbandstähle der Werkstoffgüten 1.4301, 1.4303, 1.4404 oder 1.4016.

Verdichtung und Transport

Einen wichtigen Beitrag zur Nutzbarmachung von Wasserstoff in industriellen Anwendungen leisten Hochdruckkompressoren bei Verdichtung und Transport. Zur platzsparenden Speicherung oder Trailer-Abfüllung verdichten und verflüssigen sie das Gas. Alle Komponenten mit direktem Kontakt zu Wasserstoff wie Leitungen, Rohre, Gasstrang und Zylinderköpfe dieser Verdichter werden aus kundenspezifisch ausgelegtem Edelstahl Rostfrei gefertigt. Auch für die in Wasserstofffahrzeugen oder -tankstellen eingesetzten Ventile und Armaturen gelten höchste Anforderungen in puncto Wasserstoffresistenz und Druckbeständigkeit. Ob Sicherheits-, Überdruck oder Rückschlagventile, Rohrverschraubungen, Anschlusstücke oder Absperrhähne: Für die gebotene Verschleiß- und Dauerfestigkeit sowie hohe Zähigkeit der Komponenten ist Edelstahl Rostfrei mit erhöhtem Nickelanteil unverzichtbar. Spezielle Klemmringverschraubungen aus Edelstahl widerstehen sogar extremen Drücken mit gleichzeitiger Vibrationsresistenz.

Sicherer Betrieb in Hochdruckbereichen

Gleiches gilt für in Speicherbehältern eingesetzte Dichtungen mit Durchmessern von bis zu 4.000 mm. Für den sicheren Betrieb in Hochdruckbereichen mit über 200 bar Druck und kontinuierlicher Wasserstoffexposition haben diese Spiraldichtungen vorgeformte Metallwicklungen aus Edelstahl. Kupplungen für die Betankung sind ebenfalls sicherheitsrelevante Komponenten bei der Nutzung von Wasserstoff. Gefertigt werden sie aus Edelstahl der Güte 1.4404 oder 1.4571. Damit bei der Betankung die Motorkomponenten nicht durch Partikeleintrag kontaminiert werden, kommen Edelstahlfilter zum Einsatz. Das robuste korrosionsbeständige Design dieser Hochdruckfilter gewährleistet mit einem hochfeinen Edelstahlgewebe sicheren Partikelrückhalt bei hohem Durchfluss und geringem Druckabfall.

Eine Schlüsselfunktion bei Erzeugung, Speicherung und Nutzung von Wasserstoff haben Pipelines und Pumpen. Stahlpipelines für den Wasserstofftransport ergänzen ihren mehrschichtigen Aufbau mit einer Innenauskleidung aus nichtrostendem Stahl. Mehrphasenpumpen aus Edelstahl fördern bei der Elektrolyse das noch gesättigte Medium nach der Gasabscheidung über den Wärmetauscher auf den Stack genannten Zellenstapel, versorgen Brennstoffzellen mit Wasserstoff oder bringen Wasserstoff bei der Methanisierung in Lösung. Zum Erreichen hoher Förderdrücke werden mehrstufige Kreiselpumpen aus nichtrostendem Stahl eingesetzt. Kryotechnische Lager- und Transportbehälter aus Edelstahl für tiefkalt verflüssigte Gase beantworten die Nachfrage der Chipindustrie nach hochreinem grünem Wasserstoff als Prozessgas. Aktuell in der Entwicklung ist ein Wasserstofftanker zum Transport von komprimiertem Wasserstoff. Er soll ab Mitte des Jahrzehnts mit einer Ladekapazität von bis zu 2000 t die Anforderungen der entstehenden Wasserstoffschifffahrt über mittlere Entfernungen erfüllen. Seine mehrwandigen Tanks mit Durchmessern von bis zu 20 m sind zum Schutz gegen Materialversprödung ebenfalls vollflächig mit Edelstahl ausgekleidet. (kf)

Kontakt:
Warenzeichenverband

Edelstahl Rostfrei e.V.
Sohnstraße 65
40237 Düsseldorf
Tel.: +49 2 11 67 07–8 35
Fax: +49 2 11 67 07–3 44
Mail: info@wzv-rostfrei.de
Website: www.wzv-rostfrei.de

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