Sichere Nutzung von Wasserstoff für die Energiewende

Wasserstoff spielt in der Energiewende eine wichtige Rolle: Er kann als Speichermedium dienen und Schwankungen ausgleichen, die beim Energieverbrauch und bei der Energieproduktion entstehen. Damit Wasserstoff seine Stärke als Energiepuffer (»Power-to-Gas«) entfalten und zur Versorgungssicherheit beitragen kann, ist unter anderem eine zuverlässige und sichere technische Infrastruktur aus Rohrleitungen und Anlagentechnik nötig. Die Idee ist, bestehende Erdgaspipelines und -speicher für die Verteilung und Speicherung von Wasserstoff umzufunktionieren.

© Foto istock, Fraunhofer IWM

Bereits verlegte Erdgasrohre sollen den Transport von wasserstoffreichen Gasen wie Erdgas-Wasserstoff-Gemische gewährleisten.

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Versuchsaufbau zur Bestimmung der Diffusionsgeschwindigkeit von Wasserstoff.

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Oben: Mikrostruktur von Wasserstoff-Schädigungsmechanismen; unten: molekulardynamische Simulation eines Wasserstoff-induzierten Defekts in einem Kristall.

Das Problem dabei ist, dass Wasserstoff die Festigkeit und Zähigkeit von Werkstoffen herabsetzen und zu einem spontanen oder auch zeitlich verzögerten Versagen von Komponenten führen kann. Bei der sogenannten Wasserstoffversprödung dringt atomarer Wasserstoff in das Gefüge von Metallen ein und schwächt die atomaren Bindungen, was zu Rissen und zu Brüchen führen kann. Gemeinsam mit Partnern entwickelt das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM hierzu ein Auslegungs-, Bewertungs- und Überwachungssystem PIMS (Pipeline Integrity Management System).

Auswirkung von Rohrleitungsschäden auf den Betrieb mit Wasserstoff

»Unsere Expertise ist gefragt, um den Einfluss von Wasserstoff auf die Festigkeitseigenschaften der Werkstoffe, die in Rohrleitungen verbaut sind, zu bewerten und sie für den zukünftigen Betrieb mit wasserstoffhaltigen Gase zu priorisieren«, sagt Dr. Wulf Pfeiffer, Projektleiter am Fraunhofer IWM. Seine Gruppe »Mikrostruktur, Eigenspannungen« bewertet nicht nur die Eignung der verbauten Werkstoffe, sondern untersucht auch, wie kritisch mögliche Vorschädigungen aus dem bisherigen Betrieb der bestehenden Rohre für die sichere Bewirtschaftung mit Wasserstoff sind. Dazu entstehen am Fraunhofer IWM in Freiburg derzeit neue Versuchseinrichtungen, die Festigkeitsuntersuchungen auch unter extremen Wasserstoffdrücken ermöglichen. Zudem führt das Team Simulationsrechnungen auf verschiedenen Größenskalen durch, um den Effekt der Wasserstoffversprödung in Verbindung mit verschiedenen Betriebsszenarien zu simulieren.

Beitrag zur regenerativen Energieversorgung

»Das Projekt zeigt einmal mehr, wie wichtig die Werkstoffforschung für die Energiewende ist: Wir können die Effekte aufklären, die auf atomarer Skala in Werkstoffen wirken, und damit einen riesigen Beitrag zur regenerativen Energieversorgung leisten«, so Dr. Wulf Pfeiffer. Möglich ist dies durch das Zusammenspiel von spezialisierter Werkstoffcharakterisierung und präziser Werkstoffsimulation.

Das Projekt findet im Rahmen des Konsortiums HYPOS »Hydrogen Power Storage & Solutions East Germany« statt. Das Bundesforschungsministerium fördert in seinem Programm »Zwanzig20 – Partnerschaft für Innovation« Konsortien aus Wissenschaft und Wirtschaft, darunter auch HYPOS. Letzteres verfolgt das Ziel, erneuerbaren Strom durch innovative Verknüpfung der Technologie der Wasserstofferzeugung mit der vorhandenen Infrastruktur von Gaspipelines und Gasspeichern in das Energiesystem zu integrieren. Die zentrale Herausforderung hierbei ist, die Betriebssicherheit von bestehenden Erdgasleitungen zum Transport von wasserstoffreichen Gasen (Erdgas-/Wasserstoff-Gemische) zu gewährleisten.

 

Hypos-Konsortium: www.hypos-eastgermany.de
Programm Zwanzig20 des BMBF: http://www.unternehmen-region.de/de/6829.php