Wasserstoffzukunft Robuste Dichtungen für den verlustfreien Wasserstofftransport

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Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF) entwickeln Elastomere für die problemlose Lagerung und den Transport von Wasserstoff.

Im Zuge der Energiewende nimmt Wasserstoff als Energieträger eine Schlüsselrolle ein. Doch beim Transport des leicht flüchtigen Wasserstoffs, der ja quasi nur aus zwei Atomen besteht, und bei den entsprechenden Tanksystemen für Brennstoffzellen-Fahrzeuge müssen die Dichtungen hohen Anforderungen gerecht werden, weil Leckagen aufgrund der hohen Entzündlichkeit des Gases nicht toleriert werden können, wie die Experten vom LBF informieren. Doch Elastomerdichtungen – also Gummi respektive gummiartige Kunststoffe – seien in der aktuellen Erdgasinfrastruktur fest etabliert, weshalb sie auch für den Wasserstofftransport eine Schlüsselkomponente darstellten. Auch im Hinblick auf eine Weiternutzung der bereits vorhandenen Leitungssysteme für den Transport von Wasserstoff stehen Elastomerdichtungen im Fokus. Wobei das Medium Wasserstoff aber, wie schon angesprochen, besondere Herausforderungen an Dichtelemente stellt.

Wenn der Betriebsdruck steigt, braucht es neue Dichtungen

Der Systemdruck bei ersten Serienanwendungen von Wasserstofftanks liegt bei rund 350 bar. Doch zukünftige Entwicklungen werden mit 700 bar Nenndruck arbeiten oder darüber hinaus, wie es weiter heißt. Zusätzlich zu den dann enormen Belastungen auf die Dichtungen kommen noch Temperaturbereiche von - 40 bis 85 Grad Celsius hinzu, die bei Betankungsvorgängen auftreten können und den Materialien zusetzen. Aufgrund der geringen Molekülgröße von Wasserstoff ist zudem noch die Migration von Wasserstoff in und durch die Dichtelemente zu berücksichtigen, die wegen des höheren Drucks noch intensiviert wird.

Die Dichtungselemente könnten dann aufquellen, was für die Bauteilauslegung zu berücksichtigen ist. Zum anderen kann vom Material absorbierter Wasserstoff bei starkem Druckabfall zu einer schlagartigen Volumenausdehnung führen, welche das Bauteil beschädigen kann, und das Gas dann sehr schnell austritt. Zusätzlich zu den hohen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften der Dichtungen ist bei Elastomerwerkstoffen über die Nutzungsdauer auch mit Alterungseffekten zu rechnen, die auf Kosten der Dichtheit gehen. Auch diese Effekte werden von einwirkenden mechanischen Belastungen, Temperaturen und gewissen Medien stark beeinflusst, weshalb auch sie in der Auslegung bedacht werden müssen, empfehlen die Forscher.

Haltbare Elastomerdichtungen für Wasserstoff im Projektfokus

Es existierten bisher aber nur wenige gesicherte Erkenntnisse zum Einsatz von Elastomeren im Zusammenspiel mit Wasserstoff. Im Rahmen eines neuen Verbundprojekts „HydroTransSeal“ soll deshalb ein grundlegendes Verständnis für das Verhalten von elastomeren Dichtungen im Einsatz unter Wasserstoff geschaffen werden. Das Ziel des Vorhabens ist, die Wechselwirkungsmechanismen von Wasserstoff mit diversen Elastomerwerkstoffen zu verstehen sowie geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um die Werkstoffe für den Kontakt mit Wasserstoff (etwa durch die Auswahl geeigneter Füllstoffe und Additive) in puncto Permeabilität (Durchlässigkeit), Adsorption (das Anhaften der H₂-Moleküle an der Werkstoffoberfläche) und Quellung robuster zu machen. Zusätzlich will man Elastomere, die bei Erdgas im Einsatz sind, auf ihre Tauglichkeit für Wasserstoff testen und gegebenenfalls qualifizieren.

Aktuell erfolgt der Transport von Wasserstoff noch vorwiegend mit Tanklastwagen, wie die Experten weiter ausführen. Es existierten außerdem nur wenige geeignete Leitungssysteme. Deshalb gilt es, in bestehenden Leitungssystemen eingesetzte Elastomerdichtungen für den Wasserstofftransport zu bewerten und gegebenenfalls zu qualifizieren, weil der Wasserstofftransport dann einfacher wird, wie es heißt. Und durch die Entwicklung eines Material- und Alterungsmodells will man mit Blick auf das alterungsabhängige Werkstoffverhalten der Materialien eine Lebensdauerabschätzung für die Elastomerwerkstoffe respektive Dichtungen aus der Taufe heben. Denn sie erlaube es, die Mischungen für das jeweilige Einsatzgebiet zu optimieren, damit sie besonders lange durchhielten. Das Projekt soll auch Anregung für die Rohstofflieferanten im Bereich der Elastomere sein, innovative Elastomerformulierungen in dem zukunftsträchtigen Bereich des Wasserstofftransports zu platzieren und Neuentwicklungen für diese Systeme anzustoßen.

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