Werkstoffe aus Polymeren sind für eine Wasserstoffwirtschaft unverzichtbar: In Elektrolyseuren, Tanks, Pipelines und Brennstoffzellen werden Kunststoffe für zuverlässige Dichtungen, Leitungen, Ventile oder Membranen benötigt. Bisher war weitgehend unerforscht, welche Polymere in Wasserstoffumgebungen sicher zum Einsatz kommen können. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hat in einem internationalen Gemeinschaftsprojekt Elastomere identifiziert, die sich gut für die Zukunftsanwendungen eignen.
Unter den Polymeren sind Elastomere Werkstoffe, die sich durch eine hohe Elastizität, Flexibilität, Dichtheit und Beständigkeit auszeichnen. Unklar war bisher, ob sie auch für die herausfordernde Verwendung in einer künftigen Wasserstoffinfrastruktur geeignet sind.
Der grüne Energieträger wird unter dem extremen Druck von bis zu 1000 bar gespeichert. Das Wasserstoffmolekül ist zudem sehr klein und kann leicht in Werkstoffe eindringen. Materialien für Dichtungen, Schläuche und Leitungen müssen daher besonders hohen Sicherheitsanforderungen genügen, um Leckagen und Havarien von vornherein auszuschließen.
Gasdekompression führt zu Rissen
Nach ersten Untersuchungen zeigten sich hier auch Elastomere anfällig.
Ein besonderes Risiko in Wasserstoffumgebung stellt das Phänomen der sogenannten schnellen Gasdekompression dar. Es tritt auf, wenn es zu einem plötzlichen Druckabfall kommt, etwa wenn Wasserstoff beim Betanken aus einem Hochdruckspeicher in eine Leitung gepumpt wird.
Wasserstoffmoleküle, die bereits zuvor unter dem extrem hohen Druck in Elastomer-Dichtungen eingedrungen sind, sammeln sich nun in bestehenden Hohlräumen.
Es kommt zu Quellungen des Materials. Diese wiederum können zu Mikrodefekten und Rissen im Kunststoff führen. Das Material verliert schließlich seine abdichtende Funktion. Es kann zu einem gefährlichen Austritt von Wasserstoff kommen.
Modifizierte Elastomere im Test
Um die unerwünschten Effekte der Gasdekompression zu vermeiden, hat die Industrie synthetische Elastomere in der Materialstruktur bzw. -zusammensetzung modifiziert. Im internationalen Gemeinschaftsprojekt Projekt Polymer4Hydrogen, an dem Institute aus sechs europäischen Ländern beteiligt waren und das von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft mbH (FFG) finanziert wurde, hat Géraldine Theiler von der BAM mehrere dieser neuen Werkstoffe auf ihre Beständigkeit geprüft.
Das Wasserstoff-Kompetenzzentrum der BAM verfügt dazu über in Europa einmalige Hochdruck-Autoklaven, in denen Werkstoffe in Wasserstoff bei einem Druck von bis zu 1000 bar und unter wechselnden Belastungen getestet werden können.
Anschließend wurden die Materialproben umfangreichen Dichte- und Härtemessungen, mechanischen Analysen, Zugversuchen und Verschleißtests unterzogen. Auch In-situ Messungen in Wasserstoff wurden durchgeführt, um den Einfluss von Wasserstoffdruck auf das Reibverhalten verschiedener Elastomer-Werkstoffe zu bestimmen.
„Im Ergebnis zeigte sich, dass Weichmacher die Wirkung der schnellen Gasdekompression sogar verstärken“, erklärt Géraldine Theiler. „Die beste Performance erzielte ein mit Rußpartikeln, auch bekannt als Carbon Black, verstärkter Kautschuk.“
Dieses Material wurde daher für die weitere Materialentwicklung ausgewählt. Ziel ist es, auf dieser Basis ein Hochleistungs-Elastomer zu entwickeln, der allen Herausforderungen einer künftigen Wasserstoffwirtschaft gewachsen ist.
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