Die Wasserstoffwirtschaft: Zuordnung von Rostfreistahlsorten zu verschiedenen Bereichen der Wertschöpfungskette

Die Wasserstoffwirtschaft: Zuordnung von Rostfreistahlsorten zu verschiedenen Bereichen der Wertschöpfungskette

Der Übergang zu einer kohlenstoffarmen Zukunft beschleunigt sich, und Wasserstoff ist dabei, eine entscheidende Rolle einzunehmen. Wasserstoff stellt jedoch eine besondere Herausforderung dar: Er ist ein äußerst schwieriges Element, das sich halten und handhaben lässt. Aufgrund seiner geringen Molekülgröße neigt er zu Leckagen und kann unter bestimmten Bedingungen in gängigen Metallen katastrophale Sprödbrüche verursachen, was zu Komponentenausfällen führt.

Dies ist der Punkt, an dem die Werkstoffauswahl entscheidend wird. Edelstahl mit seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit und mechanischen Eigenschaften ist ein grundlegender Baustein für die Wasserstoffwirtschaft. Doch nicht alle Edelstahlsorten sind gleich. Die falsche Wahl der Sorte kann zu Sicherheitsrisiken, Betriebsausfällen und kostspieligen Reparaturen führen.

Dieser Artikel bietet eine praktische Übersicht über die Zuordnung von Edelstahlsorten zu spezifischen Abschnitten der Wasserstoff-Wertschöpfungskette, von der Erzeugung bis zur Anwendung, und gewährleistet so Zuverlässigkeit und Sicherheit ohne übermäßige Kosten durch Überkonstruktion.

Die Kernherausforderung: Wasserstoffversprödung

Bevor eine Sorte ausgewählt wird, ist es wichtig, den Gegner zu verstehen: Wasserstoffversprödung (WV) . WV ist ein Prozess, bei dem atomarer Wasserstoff in ein Metall eindringt und dessen Duktilität sowie Bruchzähigkeit verringert. Dies kann Risse und Versagen unter Spannungsniveaus verursachen, die weit unter der Streckgrenze des Materials liegen. Wichtige Faktoren, die die WV beeinflussen, sind:

• Wasserstoffdruck: Höhere Drücke erhöhen die Wasserstoffaufnahme.

• Temperatur: Das Risiko ist bei Umgebungstemperaturen am höchsten; es nimmt bei sehr hohen oder kryogenen Temperaturen ab.

• Material-Mikrostruktur: Austenitische Edelstähle (z. B. 304, 316) sind aufgrund ihrer kubisch-flächenzentrierten (FCC)-Struktur im Allgemeinen wesentlich resistenter gegen Wasserstoffversprödung (HE) als martensitische oder ferritische Stähle.

Vor diesem Hintergrund lassen Sie uns die Stahlsorten der Wertschöpfungskette zuordnen.

Edelstahlauswahl entlang der Wasserstoff-Wertschöpfungskette

1. Produktion: Elektrolyse

Grüner Wasserstoff wird erzeugt, indem Wasser mithilfe von Elektrolyseuren (PEM, Alkaline, SOEC) in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird.

• Hauptbeanspruchungsumgebung: Exposition gegenüber entsalztem Wasser, Sauerstoff, Wasserstoff und starken Elektrolyten wie Kaliumhydroxid (KOH) bei erhöhten Temperaturen.

• Hauptsorgnis: Allgemeine Korrosion, Lochfraß und Spannungsrisskorrosion (SCC).

• Empfohlene Sorten:

  • Bipolarplatten: 316L ist oft der Standard. Der Molybdängehalt bietet eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Lochfraß. Für aggressivere Bedingungen oder eine längere voraussichtliche Lebensdauer duplex-Edelstähle wie 2205 (UNS S32205) bieten eine überlegene Festigkeit und hervorragenden Widerstand gegen Chlorid-Spannungsrisskorrosion.

  • Innere Komponenten und Gehäuse:  mit einem Gehalt an oder 316L sind für strukturelle Teile, die nicht direkt mit den korrosivsten Umgebungen in Kontakt kommen, typischerweise ausreichend.

2. Verflüssigung & Lagerung

Um eine gangbare Energiedichte für den Transport zu erreichen, wird Wasserstoff oft bei -253 °C (-423 °F) verflüssigt.

• Hauptbeanspruchungsumgebung: Kryogene Temperaturen, hohe Drücke.

• Hauptsorgnis: Aufrechterhaltung von Zähigkeit und Duktilität bei extremen kryogenen Temperaturen. Undichtigkeit aufgrund von Versprödung ist ein vordringliches Sicherheitsproblem.

• Empfohlene Sorten:

  • Kryogentanks und Leitungen:  Austenitische Edelstähle sind hier die unangefochtene Wahl. Ihr kubisch-flächenzentriertes (FCC)-Gefüge bleibt bei kryogenen Temperaturen äußerst zäh.

    • 304L (UNS S30403) ist der am häufigsten eingesetzte und kosteneffiziente Arbeitsträger für Innentanks, Rohre und Ventile.

    • 316L (UNS S31603) wird dort eingesetzt, wo zusätzlicher Korrosionsschutz durch Molybdän erforderlich ist.

    • Nickelreiche Legierungen (z. B. 304LN, 316LN): Die "L"-Qualität (niedriger Kohlenstoffgehalt) ist entscheidend, um eine Sensitivierung zu vermeiden. Die "N"-Qualitäten (mit Stickstoff legiert) bieten höhere Festigkeit zur Beherrschung von hohen Drücken in leichteren Behältern.

3. Transport & Distribution

Dies umfasst den Transport von flüssigem Wasserstoff (LH2) mittels kryogener Tankwagen oder komprimierten gasförmigen Wasserstoffs (CGH2) mittels Rohrwagen und Pipelines.

• Hauptbeanspruchungsumgebung: Zyklische Druckbelastung, Möglichkeit von äußerer Korrosion (z. B. durch Streusalz), kryogene Temperaturen bei LH2.

• Hauptsorgnis: Ermüdungswiderstand, mechanische Festigkeit für Hochdruckbehälter (CGH2) und Korrosionsbeständigkeit.

• Empfohlene Sorten:

  • Rohrwagen-Zylinder (für CGH2 bei 250–500+ bar): Hochdruckbehälter bestehen häufig aus chrom-Molybdän-Stahl (z. B. 4130X) mit Composite-Ummantelung. Allerdings können innere Liner oder Komponenten, die mit Wasserstoff in Kontakt kommen, 316L aufgrund seiner HE-Beständigkeit verwendet werden.

  • Ventile, Armaturen und Rohrleitungen:  316L ist aufgrund seiner Allround-Leistungsfähigkeit Standard. Für anspruchsvolleren Einsatz duplex 2205 bietet die doppelte Streckgrenze, wodurch dünnere und leichtere Komponenten möglich sind – ein entscheidender Faktor für mobile Transportanwendungen.

  • Wasserstoffleitungen: Für neue Leitungen, die ausschließlich für Wasserstoff vorgesehen sind, austenitische Edelstähle wie 316L sind eine bevorzugte Wahl. Das bestehende Erdgasleitungsnetz (typischerweise aus Kohlenstoffstahl) ist aufgrund von Wasserstoffversprödungs-Risiken größtenteils ungeeignet für den Wasserstofftransport, ohne umfassende Modifikationen.

4. Tankstellen und Endanwendungen

Dazu gehören Wasserstofftankstellen (HRS) für Brennstoffzellenfahrzeuge und die Brennstoffzellen selbst.

• Hauptbeanspruchungsumgebung: Wasserstoff unter hohem Druck (700 bar für Fahrzeuge), zyklische Belastung (häufige Betankungszyklen), Umgebungstemperatur.

• Hauptsorgnis: Höchste Ermüdungsfestigkeit und maximale Widerstandsfähigkeit gegen Wasserstoffversprödung unter Hochdruck-Zyklisierung.

• Empfohlene Sorten:

  • Lagertanks (an der Station): Ähnlich wie beim Transport handelt es sich hierbei um Hochdruckbehälter, die häufig werkstoffbasierte Materialien wie Cr-Mo-Stahl mit Verbundwerkstoffen verwenden. Die Innenflächen erfordern HE-beständige Materialien.

  • Ventile, Kompressoren und Hochdruckleitungen: Dies ist der kritischste Bereich für die Materialauswahl innerhalb der Station.

    • 316L ist der Mindeststandard und weit verbreitet.

    • **Leistungsgrad: Für höchste Zuverlässigkeit und Sicherheitsreserven werden häufig hochfeste austenitische Legierungen wie Nitron 50 (XM-19, UNS S20910) oder Nitron 60 (UNS S21800) vorgeschrieben. Diese stickstoffvergüteten austenitischen Stähle bieten eine deutlich höhere Streckgrenze als 316L, bei gleichzeitig überlegener Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung und Kaltverformung – eine entscheidende Eigenschaft für Ventilsitze und -spindeln.

  • Brennstoffzellenstacks: Innerhalb der Brennstoffzelle 316L wird häufig für Bipolarplatten verwendet, obwohl der Trend zu beschichteten Metallen und Verbundwerkstoffen geht, um Gewicht und Kosten zu reduzieren.

Zusammenfassungstabelle: Ein schneller Leitfaden

Fazit: Eine materialzentrierte Grundlage

Die Wasserstoffwirtschaft basiert auf der Werkstoffkunde. Edelstahl ist keine Einzellösung, sondern eine Familie von unterstützenden Materialien. Die richtige Auswahl ist ein unverzichtbarer Aspekt bei der Entwicklung sicherer, effizienter und wirtschaftlicher Wasserstoffsysteme.

Die Zuordnung des Werkstoffs zu der jeweiligen Umgebung – sei es ein korrosives Elektrolyt in einem Elektrolyseur, kryogenes Flüssiggas in einem Speichertank oder Gas mit ultra-hohem Druck an einer Tankstelle – ist der Schlüssel zum Erfolg. Während 304L und 316L als Standardwerkstoffe fungieren werden, müssen Ingenieure wissen, wann sie fortschrittliche Sorten wie Duplex- oder stickstoffvergütete Austenite einsetzen, um Risiken zu minimieren und die langfristige Betriebssicherheit zu gewährleisten. Mit fundierten Werkstoffentscheidungen heute bauen wir eine zuverlässigere und skalierbarere Wasserstoffzukunft für morgen.