Sind Gasturbinen bereit für die Wasserstoffwirtschaft?
Ein internationales Forschungsteam zeigt, wie sich Wasserstoff bei erhöhten Temperaturen auf Superlegierungen auf Nickelbasis auswirkt
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Können wir Gasturbinen mit Wasserstoff statt mit fossilen Brennstoffen betreiben und so die weltweiten Kohlendioxidemissionen (CO₂) um 15 % senken? Gasturbinen erzeugen rund 22 % des weltweiten Stroms. Der Ersatz fossiler Brennstoffe ist ein entscheidender Schritt hin zu einer nachhaltigeren Stromerzeugung. Wasserstoff gilt allgemein als vielversprechender alternativer Brennstoff für Gasturbinen sowohl in der Stromerzeugung als auch in der Luftfahrt. Bevor Wasserstoff jedoch sicher in großem Maßstab eingesetzt werden kann, müssen Forscher besser verstehen, wie er sich auf die Materialien auswirkt, die den extremen Betriebsbedingungen im Inneren von Gasturbinen ausgesetzt sind.
Während die Wechselwirkung zwischen Wasserstoff und metallischen Werkstoffen bei Umgebungstemperaturen bereits umfassend untersucht wurde, ist über die Auswirkungen bei den in Gasturbinen herrschenden erhöhten Temperaturen weitaus weniger bekannt. Ein internationales Forscherteam hat nun untersucht, wie sich Wasserstoff bei erhöhten Temperaturen auf Superlegierungen auf Nickelbasis – das Material der Wahl für Gasturbinen – auswirkt. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass die durch Wasserstoff verursachte Versprödung mindestens doppelt so stark ausfallen kann, was eine erhebliche Herausforderung für Bauteile darstellt, die höchsten Sicherheits- und Zuverlässigkeitsstandards genügen müssen. Forscher des Max-Planck-Instituts für Nachhaltige Werkstoffe (MPI-SusMat) und ihre Kooperationspartner veröffentlichten neue Erkenntnisse in der Fachzeitschrift „Nature Materials“.
Warum das Einfangen von Wasserstoff bei erhöhten Temperaturen versagt
„Wenn Wasserstoff bei Umgebungstemperatur in eine Superlegierung auf Nickelbasis eindringt, wird er normalerweise an Grenzflächen und Versetzungen eingefangen. Bei erhöhten Temperaturen wandern Wasserstoffatome zu Kohlenstoffleerstellen innerhalb von Karbiden und verursachen deren teilweise Zersetzung. Zudem reagieren Wasserstoff- und Kohlenstoffatome miteinander und bilden Methan. Dieses unter hohem Druck stehende Methan übt einen hohen lokalen Innendruck aus, der die Grenzflächen schwächt und Schäden begünstigt“, erklärt Dr. Xizhen Dong, Postdoktorandin am MPI-SusMat und eine der Erstautorinnen der aktuellen Veröffentlichung.
Dong und ihre Kollegen untersuchten, wie sich Wasserstoff auf Nickelbasis-Superlegierungen in einem Temperaturbereich von 400 °C bis 1000 °C auswirkt. Durch die Kombination von Atomprobentomographie und Berechnungen nach der Dichtefunktionaltheorie konnten die Forscher zeigen, dass sich die Degradationsmechanismen in Nickelbasis-Superlegierungen, die Wasserstoff ausgesetzt sind, je nach Betriebstemperatur grundlegend ändern. Bei 400 °C findet die Degradation statt, während oberhalb dieser Temperatur keine Methanbildung zu beobachten ist. „Was wir hier entdeckt haben, ist insbesondere für Gasturbinen und Flugturbinen von entscheidender Bedeutung, die im Gegensatz zu stationären Dampfturbinen häufig ein- und ausgeschaltet werden und daher einem größeren Temperatur- und Belastungsspektrum ausgesetzt sind, in dem Versprödungseffekte auftreten können“, erklärt Professor Dierk Raabe, Direktor am MPI-SusMat und einer der korrespondierenden Autoren.
Entwicklung wasserstoffbeständiger Superlegierungen auf Nickelbasis
Nachdem nachgewiesen wurde, dass Karbide das Einfallstor für wasserstoffinduzierte Rissbildung sind, würde eine zukünftige Legierungsentwicklung darauf abzielen, die Mikrostruktur der Legierung durch den Ersatz von Karbiden anzupassen. Da Karbide weit verbreitet zur Verstärkung von Hochleistungslegierungen eingesetzt werden, sind neue Verstärkungsstrategien erforderlich. Alternativ muss ein Gleichgewicht zwischen der durch Karbide erzielten mechanischen Festigkeit und der Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung gefunden werden.
Diese Erkenntnisse unterstreichen die Notwendigkeit temperaturspezifischer mechanistischer Rahmenkonzepte und Vorhersagemodelle zur Beschreibung wasserstoffinduzierter Schäden nicht nur in Superlegierungen auf Nickelbasis, sondern auch in anderen karbidhaltigen Legierungen, einschließlich Stählen und Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, und ebnen den Weg für zukünftige wasserstoffbetriebene Gasturbinen-Energie- und Luftverkehrssysteme.
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