Wasserstoffkraftwerke: Forschungsteam erkundet Schädigung der Turbinenwerkstoffe bei hohen Temperaturen

Wesentlicher Bestandteil der meisten Energiewende-Strategien sind mit Wasserstoff betriebene beziehungsweise von Erdgas auf Wasserstoff umrüstbare (H₂-Ready) Kraftwerke. Vor diesem Hintergrund hat ein internationales Forschungsteam untersucht, wie sich Wasserstoff unter Betriebsbedingungen, also bei erhöhten Temperaturen, auf die Turbinenschaufeln auswirkt. Nach Angaben des an dem Forschungsprojekt beteiligten Max-Planck-Instituts für Nachhaltige Materialien (MPI-SusMat) ist die Wirkung von Wasserstoff auf metallische Werkstoffe bei Raumtemperatur zwar bereits intensiv untersucht, doch über das Verhalten bei erhöhten Temperaturen wie in Gasturbinen ist „bislang deutlich weniger bekannt“.

Das Forschungsteam hat deshalb genau diese Frage erkundet: Was geschieht mit Nickelbasis-Superlegierungen, aus denen die Turbinenschaufeln gefertigt werden, wenn sie bei hohen Temperaturen Wasserstoff ausgesetzt werden? Die Ergebnisse sind „insbesondere für Gasturbinen in der Energieerzeugung und für Flugtriebwerke von großer Bedeutung“, erklärt Dierk Raabe, Direktor am MPI-SusMat: „Im Gegensatz zu stationären Dampfturbinen, die dauerhaft bei sehr hohen Temperaturen laufen, werden Gasturbinen häufig an- und abgeschaltet. Dadurch sind sie einem deutlich größeren Temperatur- und Belastungsspektrum ausgesetzt und genau in diesem Bereich kann wasserstoffbedingte Versprödung verstärkt auftreten.“

Karbide als Angriffsfläche

Die Festigkeit von Nickelbasis-Superlegierungen wird demnach durch Karbide gesteigert. Genau hier aber greift der Wasserstoff bei erhöhten Temperaturen an. Bereits bei Raumtemperatur setzt er sich beim eindringen in eine Nickelbasis-Superlegierung in der Regel an Grenzflächen und Versetzungen fest und verursacht dadurch eine Versprödung des Materials, erläutert Xizhen Dong, Postdoktorandin am MPI-SusMat und eine der Erstautorinnen der Studie. Bei erhöhten Temperaturen komme hinzu, dass der Wasserstoff in die eigentlich für die Festigkeit des Werkstoffs eingesetzten Karbide eindringt und sich dort mit Kohlenstoff verbindet: „Wasserstoff und Kohlenstoff reagieren zu Methan, welches einen hohen lokalen Druck auf die Grenzflächen zwischen Karbiden und Nickelmatrix ausübt und so schneller zu Materialversagen führt“, so Dong weiter.

Schäden bei 400 Grad

Das Team hat die Auswirkungen von Wasserstoff auf Nickelbasis-Superlegierungen bei Temperaturen zwischen 400 und 1000 Grad Celsius untersucht. Die wasserstoffbedingten Schädigungen seien aufgrund thermodynamischer Bedingungen ausschließlich bei 400 Grad aufgetreten. Nur bei dieser Temperatur sei die Reaktion von Wasserstoff und Kohlenstoff zu Methan thermodynamisch begünstigt, oberhalb von 400 Grad sei hingegen keine Methanbildung beobachtet worden.

Für den künftigen Betrieb mit Wasserstoff müssten entweder „alternative Verfestigungsmechanismen“ gefunden oder die Werkstoffe für ein ausgewogenes Verhältnis zwischen der durch Karbide erzielten Festigkeit und der Widerstandsfähigkeit gegenüber der Versprödung angepasst werden. Die Studie habe gezeigt, dass vorhandene Legierungen unter realen Einsatzbedingungen getestet werden müssen.

Neben dem MPI-SusMat waren die East China University of Science and Technology die Hunan University (ebenfalls in China) an der Studie beteiligt. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht.