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Sichere Nutzung von Wasserstoff für die Energiewende

Fraunhofer IWM

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

28.07.2016: Am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg startet ein Projekt zur Erforschung des Einflusses von Wasserstoff auf die Sicherheit von Erdgasrohrleitungen, wenn diese wasserstoffhaltige Gase führen. Die Projektpartner entwickeln gemeinsam ein Auslegungs-, Bewertungs- und Überwachungssystem für Rohrleitungsnetze, um bereits bestehende Infrastrukturen nutzen zu können. Das Bundesforschungsministerium fördert das Fraunhofer IWM mit 1 Mio. Euro. Das Gesamtvolumen des Projekts beträgt 9,4 Mio. Euro über den Zeitraum von vier Jahren.

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.

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 IWM hierzu ein Auslegungs-, Bewertungs- und Überwachungssystem PIMS (Pipeline Integrity Management System). Das Institut erhält dafür eine Förderung von ca. 1 Mio. Euro im Rahmen des Projekts HYPOS »Hydrogen Power Storage & Solutions East Germany«, dessen Laufzeit vier Jahre beträgt.

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 der Leiter des Geschäftsfelds »Werkstoffbewertung, Lebensdauerkonzepte« Dr. Wulf Pfeiffer. Möglich ist dies durch das Zusammenspiel von spezialisierter Werkstoffcharakterisierung und präziser Werkstoffsimulation.

Das Bundesforschungsministerium fördert in seinem Programm »Zwanzig20 – Partnerschaft für Innovation« Konsortien aus Wissenschaft und Wirtschaft, um Ostdeutschland als Innovationmotor bei Zukunftsthemen zu stärken. Darunter auch das Konsortium HYPOS »Hydrogen Power Storage & Solutions East Germany«. Hypos 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.

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