Wie Wasserstoff Gasturbinen schädigt

Ein besseres Verständnis der Wasserstoffversprödung hilft, Materialien für die Wasserstoffwirtschaft zu entwickeln

Auf den Punkt gebracht:

• Transformation zur Wasserstoffwirtschaft: Wie sich Wasserstoff, mit dem Gasturbinen CO₂-frei betrieben werden sollen, bei hohen Temperaturen auf den Turbinenwerkstoff auswirkt, war bislang unklar.
• Beschleunigte Korrosion: Wasserstoff versprödet Superlegierungen auf Nickelbasis, die für Turbinenschaufeln verwendet werden, bei erhöhten Temperaturen mindestens doppelt so schnell wie bei Raumtemperatur. Verursacht wird die Versprödung durch chemische Reaktionen zwischen Wasserstoff und Kohlenstoff, die zu frühem Materialversagen führen.
• Alternative Legierungen: Karbide erhöhen die Festigkeit von Superlegierungen auf Nickelbasis. Um Gasturbinen mit Wasserstoff zu betreiben, müssen künftige Legierungen auf andere Festigungsmechanismen zurückgreifen.

Gasturbinen, die zur Stromerzeugung und in der Luftfahrt mit fossilen Brennstoffen angetrieben werden, liefern 22 Prozent des weltweit produzierten Stroms. Dabei entstehen 15 Prozent des global emittierten CO₂. Um Gasturbinen CO₂-frei zu betreiben, könnte Wasserstoff als umweltfreundliche Alternative werden. Doch wie verändert Wasserstoff Superlegierungen auf Nickelbasis, aus denen die Turbinenschaufeln bestehen – unter den extremen Bedingungen des Turbinenbetriebs? 

Während die Wirkung von Wasserstoff auf metallische Werkstoffe bei Raumtemperatur bereits intensiv untersucht wurde, ist über das Verhalten bei erhöhten Temperaturen wie in Gasturbinen, bislang deutlich weniger bekannt. Gasturbinen werden bei Temperaturen von über 1000 Grad betrieben, durchlaufen beim Hoch- und  Runterfahren auch tiefere Temperaturen. Ein internationales Forschungsteam unter anderem vom Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien hat genau dieses Verhalten der Superlegierungen auf Nickelbasis nun untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Turbinenschaufeln bei erhöhten Temperaturen mindestens doppelt so schnell verspröden wie bei Raumtemperatur. Dies stellt eine erhebliche Herausforderung für Bauteile dar, die höchsten Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit genügen müssen. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht.

Warum Wasserstoff bei hohen Temperaturen schädlicher ist

Dringt Wasserstoff bei Raumtemperatur in eine Superlegierung auf Nickelbasis ein, setzt er sich in der Regel an Grenzflächen und Versetzungen fest und führt zur Versprödung. Bei erhöhten Temperaturen kommt noch ein weiterer Effekt hinzu: Wasserstoff dringt in die Karbide ein, die eigentlich die Festigkeit des Werkstoffs bewirken und verbindet sich dort mit Kohlenstoff. „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“, erklärt Xizhen Dong, Postdoktorandin am Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien.

Die Temperatur ist entscheidend

Dong und ihr Team untersuchten, wie sich Wasserstoff auf die Superlegierungen bei Temperaturen zwischen 400 und 1000 Grad Celsius auswirkt. Mithilfe der Atomsonde analysierten sie den Werkstoff auf atomarer Ebene und simulierten die Bildung von Methan mit Methoden der Dichtefunktionaltheorie. So zeigten sie, dass wasserstoffbedingte Schädigungen bei Temperaturen um 400 Grad Celsius auftreten. Denn nur bei dieser Temperatur ist die Reaktion von Wasserstoff und Kohlenstoff zu Methan thermodynamisch begünstigt. Bei 600 Grad Celsius beobachteten die Forschenden keine Methanbildung mehr.

„Dieses Ergebnis ist insbesondere für Gasturbinen in der Energieerzeugung und für Flugtriebwerke von großer Bedeutung“, erklärt Dierk Raabe, Direktor am Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien. „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 so laufen sie auch immer wieder in dem Bereich, in dem wasserstoffbedingte Versprödung verstärkt auftritt.“

Zwischen hoher Festigkeit und Wasserstoffresistenz

Karbide erhöhen die Festigkeit von Nickelbasis-Superlegierungen, Stählen und Verbundwerkstoffen. Die jetzigen Untersuchungen zeigen allerdings, dass Karbide bei der Verwendung von Wasserstoff als Energieträger und erhöhten Temperaturen zur Eintrittspforte für Wasserstoffversprödung werden können. Um zukünftig Gasturbinen mit Wasserstoff und somit CO₂-frei betreiben zu können, sollten alternative Verfestigungsmechanismen gefunden werden. Alternativ müssten die Werkstoffe so angepasst werden, dass ein ausgewogenes Verhältnis zwischen der durch Karbide erzielten Festigkeit und der Widerstandsfähigkeit gegenüber wasserstoffinduzierter Versprödung erzielt wird. Die Ergebnisse der aktuellen Studie unterstreichen zudem, wie wichtig es ist, praktisch verwendete Legierungen unter realen Einsatzbedingungen zu testen, um letztlich deren Sicherheit und Lebensdauerunter diesen Bedingungen optimieren zu können.

Die Studie wurde von Forschenden der East China University of Science and Technology (China), des Max-Planck-Instituts für Nachhaltige Materialien (Deutschland) und der Hunan University (China) geleitet.

YAS