Inhaltsübersicht
- Was ist Wasserstoffversprödung?
- Wie ist die Wasserstoffversprödung zu verstehen?
- Welches sind die damit zusammenhängenden beeinflussenden Faktoren?
- Welche Schritte können zur Innovation des Wasserstoffsektors im Hinblick auf die Wasserstoffversprödung beitragen?
- Hintergrundinformationen über den Wasserstoffsektor:
Was ist Wasserstoffversprödung?
Wasserstoffatome finden bevorzugte Plätze in der Struktur des Materials und verändern dessen physikalisches Verhalten und mechanische Eigenschaften. Die Diffusion von Wasserstoff in das Material führt zu einem Verlust an Duktilität, wodurch das Material spröder und rissanfälliger wird.
Atomarer und molekularer Wasserstoff kann ein stiller Mörder sein, der das Material langsam und ohne deutliche Anzeichen einer Beschädigung schwächt, was oft zu einem kritischen Versagen führt. Der Einsturz der San Francisco-Oakland Bay Bridge ist ein Beispiel dafür. Während des berüchtigten Loma-Prieta-Erdbebens im Jahr 1989 stürzte das obere Deck auf der Ostseite auf das darunter liegende Deck und zerquetschte mehrere Fahrzeuge. Die Ursache des Einsturzes war das Versagen der Bolzen aufgrund von umweltbedingter Wasserstoffversprödung.
Wie ist die Wasserstoffversprödung zu verstehen?
Damit es zu einem wasserstoffunterstützten Bruch kommt, müssen sowohl Wasserstoff als auch Spannung in einem anfälligen Material vorhanden sein. Die Voraussetzungen für einen möglichen wasserstoffinduzierten Bruch sind gegeben, da der Wasserstoff in das Strukturmaterial diffundiert. Erstens kann die Wasserstoffabsorption während der Produktions- und Dienstleistungsphase erfolgen. Prozesse wie unkontrolliertes Schmelzen, Galvanisieren oder Schweißen können die Vorladung von atomarem Wasserstoff in ein bestimmtes Metall fördern. Als Faustregel gilt, dass Werkstoffe, die hochfeste mechanische Eigenschaften oder eine große Anzahl von Fehlern und Einschlüssen aufweisen, für diese Art von Versagen anfälliger sind.
Der Schweregrad der Wasserstoffversprödung hängt auch von der Betriebstemperatur ab, wobei niedrige Temperaturen im Hinblick auf die Materialduktilität den ungünstigsten Fall darstellen. Man kann mit Fug und Recht behaupten, dass die Vermeidung dieses Fehlers eine der größten Herausforderungen in der Metallurgie insgesamt darstellt.
Welches sind die damit zusammenhängenden beeinflussenden Faktoren?
Die Faktoren, die sich auf die Qualität des Gefüges auswirken können, sind zahlreich und wurden von der Werkstoffgesellschaft ausführlich dokumentiert. Aufgrund der Komplexität des Themas kann die Auswirkung der Mikrostruktur (als ein wichtiger Faktor für das Wasserstoffverhalten) nicht mit einfachen Worten bewertet werden. Die isolierte Betrachtung einer Variablen reicht nicht aus, um die Qualität oder Leistung einer bestimmten Komponente zu garantieren, und kann irreführend sein. So kann beispielsweise eine Materialsorte mit einer “perfekten Chemie” oder mit einem hohen Gehalt an einem bestimmten Inhaltsstoff trotzdem ein sehr minderwertiges Produkt ergeben.
Die Folgen einer unsachgemäßen und unkontrollierten Materialverarbeitung, Wärmebehandlung und/oder Herstellung sind häufig hohe Dichten von unerwünschten Phasen und Einschlüssen im Rohmaterial. Diese führen unweigerlich zu einer vorzeitigen wasserstoffunterstützten Rissbildung während des Betriebs, insbesondere in anspruchsvollen H2-Umgebungen. Die Verarbeitung der Materialien ist daher der Schlüssel.
Auch die Mechanik der Anwendung spielt eine große Rolle. Spannungszustände in Bauteilen können durch das Vorhandensein von Eigenspannungen verursacht werden, die mit bestimmten Fertigungstechniken zusammenhängen, sowie durch Spannungen, die während des Betriebs auftreten. Ein unsachgemäßes Produktdesign und eine unsachgemäße Installation können zu einer Überbeanspruchung des Materials führen.
All diese Faktoren können zu einem vorzeitigen Ausfall von Bauteilen im Wasserstoffbetrieb führen. Bei der Handhabung von Wasserstoff ist daher die Auswahl der Materialien und Geräte mehr denn je ein wesentlicher Faktor für den Erfolg.
Welche Schritte können zur Innovation des Wasserstoffsektors im Hinblick auf die Wasserstoffversprödung beitragen?
Die internationale Industrienorm ISO 15916-2015 enthält Leitlinien für die Verwendung von Wasserstoff in gasförmiger und flüssiger Form sowie für seine Speicherung. Die meisten Metalle sind in unterschiedlichem Maße anfällig für Wasserstoffversprödung. Um ein Versagen zu vermeiden, müssen die Materialkonstruktion und die geeignete Ausrüstung sorgfältig ausgewählt werden, insbesondere wenn eine Wasserstoffexposition zu erwarten ist. Die gute Nachricht ist, dass die Wasserstoffversprödung verhindert werden kann.
Es sollten speziell entwickelte Produkte verwendet werden, um das Risiko von Korrosion und Wasserstoffangriffen zu minimieren, sichere und zuverlässige Komponenten bereitzustellen, die Leckagepfade für Wasserstoffgas zu minimieren und letztendlich eine erfolgreiche Leistung im Feld zu liefern. Auch die verwendeten Rohstoffe sollten von der Schmelze bis zum Endprodukt vollständig rückverfolgbar sein und genau kontrolliert werden.
Darüber hinaus sollten geeignete Herstellungsverfahren gewählt werden, um das Betriebsrisiko in Wasserstoffumgebungen zu minimieren. Nichtrostender Stahl, das Material der Wahl für den Wasserstofftransportsektor, und eine Vielzahl von Nickellegierungen sollten für eine breite Palette anderer Anwendungen verwendet werden.
Hintergrundinformationen über den Wasserstoffsektor:
Was sind die Herausforderungen im Zusammenhang mit Wasserstoff?
Wasserstoff ist das in der Natur am häufigsten vorkommende Element, und seine Vielseitigkeit kann überzeugende Vorteile als zugängliche, nachhaltige und effiziente alternative Energiequelle bieten. Für die meisten metallischen Werkstoffe kann er jedoch sehr schädlich sein, was als Wasserstoffschaden oder Wasserstoffangriff bezeichnet wird. Die extrem geringe Größe des Wasserstoffs steht in direktem Zusammenhang mit seiner Fähigkeit, leicht von Metallen absorbiert zu werden, und seiner hohen Mobilität auf mikrostruktureller Ebene.
Warum sind Wasserstofftechnologien für die Zukunft wichtig?
Auf dem Weg zu einer dekarbonisierten Gesellschaft wird Wasserstoff als umweltfreundlicher Energieträger zweifellos eine wichtige Rolle spielen. Technologien auf Wasserstoffbasis entwickeln sich rasch weiter, kommen in großem Umfang auf den Markt und werden Teil unseres täglichen Lebens. Von sauberer Stromerzeugung bis hin zu umweltfreundlichen Autos – die Möglichkeiten sind endlos.
Der Verkehrssektor ist ein Paradebeispiel dafür, wie sich die Wasserstofftechnologien durchsetzen und eine wirklich nachhaltige Mobilität greifbarer denn je machen. Schwere Lkw mit wasserstoffbetriebenen Zellen sind bereits auf den Straßen unterwegs. Obwohl der Aufbau einer globalen Wasserstoffbetankungsinfrastruktur mehrere Jahre oder sogar Jahrzehnte dauern könnte, beschleunigt das Engagement von Regierungen in aller Welt für die Wasserstoffwirtschaft das Tempo.
Nahezu jeder metallische Werkstoff kann durch Wasserstoff beschädigt werden, und es gibt verschiedene Formen der Wasserstoffzersetzung. Die Rissbildung durch Wasserstoffversprödung ist die häufigste und betrifft die drei Hauptbereiche der wasserstoffverarbeitenden Industrie, nämlich Produktion, Transport und Lagerung.
InhaltlicheBeiträge von Parker
Parker Hannifin ist ein Fortune 250-Unternehmen, das weltweit führend in der Antriebs- und Steuerungstechnik ist. Seit mehr als einem Jahrhundert ermöglicht das Unternehmen technische Durchbrüche, die zu einer besseren Zukunft führen. Parker unterstützt die weltweiten Bemühungen zur Dekarbonisierung durch eine breite Palette von Lösungen, wasserstoffkompatiblen Komponenten und Systemen, die einen sicheren und effizienten Betrieb für eine Vielzahl von Anwendungen ermöglichen.
Letzte Aktualisierung: 15.1.2023