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Wasserstoff: die Problematik von Transport und Lagerung

Ist Wasserstoff der Schlüssel für die künftige große Energiewende? Dies ist die Überzeugung Frankreichs, aber auch anderer Länder, die sich entschieden haben, massiv in diesen Sektor zu investieren. Ein Budget, das gar nicht hoch genug angesetzt werden kann, um die vielen Probleme zu lösen, die dieser Energieträger aufwirft. Dazu gehört auch die Frage, wie die ihn befördernden Rohrleitungen beschaffen sein müssen, da Wasserstoff dazu neigt, metallische Werkstoffe zu beschädigen. An der Ingenieurschule Mines Saint-Étienne versuchen Frédéric Christien und seine Teams, Lösungen für dieses Problem zu finden.

Wasserstoff: die Problematik von Transport und Lagerung

Anfang September kündigte die französische Regierung einen 7-Milliarden-Euro-Förderplan für die Wasserstoffindustrie an, mit einer Laufzeit bis 2030. Mit dieser Investition reiht sich Frankreich in die immer länger werdende Liste der Länder ein, die auf diese Strategie setzen: Japan, Südkorea, die Niederlande…

Dennoch wirft die Verwendung dieses Brennstoffs große Fragen auf, die die gesamte Produktionskette betreffen. Forscher wissen seit langem, dass Wasserstoff bestimmte Materialien, angefangen bei Metallen, beschädigen kann. “Vor mehr als einem Jahrhundert stellten Wissenschaftler fest, dass das Eintauchen von Metall in Salzsäure [Chlor und Wasserstoff] das Material nicht nur korrodierte, sondern es auch spröde machte”, sagt Frédéric Christien, Forscher an der Ecole des Mines Saint-Étienne¹. “Das Thema gab dann Anlass zu zahlreichen Studien über die Auswirkungen von Wasserstoff auf Materialien. Heute gibt es Normen, die den Einsatz metallischer Werkstoffe in Gegenwart von Wasserstoff regeln. Allerdings tauchen immer wieder Fragen auf, da die Materialien regelmäßig weiterentwickelt werden”.

Optimale Nutzung von erzeugter, aber nicht verbrauchter Elektrizität

Seit etwa drei Jahren steht die Arbeit des Forschers der Mines Saint-Étienne im Zusammenhang mit dem Thema “Power-to-Gas”. Das Ziel dieser Technologie ist es, überschüssige Elektrizität zurückzugewinnen, anstatt sie zu verlieren, indem sie über den Wasserelektrolyseprozess in gasförmigen Wasserstoff umgewandelt wird.

“Power-to-Gas besteht dann darin, den so erzeugten Wasserstoff in kleinen Mengen in das Erdgasnetz einzuspeisen, um ihn als Brennstoff zu verwenden”, erklärt Frédéric Christien. Für Privatpersonen ändert sich dadurch nichts: Sie können ihre Gasgeräte weiterhin wie gewohnt nutzen. Für den Netzbetreiber ist eine solche Änderung jedoch nicht ohne Auswirkungen. Daher die Frage an die Spezialisten für Materialbeständigkeit: Welche Auswirkungen kann Wasserstoff auf den Stahl haben, der den größten Teil des Erdgastransportnetzes ausmacht?

Lokalisierte Verformung

Forscher von Mines Saint-Étienne arbeiten seit drei Jahren in Zusammenarbeit mit dem CEA in Grenoble an einer Probeleitung, um die Wirkung von Gas auf das Material zu untersuchen. Es handelt sich dabei um einen Typ Stahl, der im Erdgasnetz vorkommt.

In diesem Fall haben die Forscher einen Schadensmechanismus nachgewiesen, indem sie “die plastische Verformung lokalisiert” haben. Konkret streckten sie ihre Probe, um die dort auftretenden mechanischen Belastungen, insbesondere durch Druck- und Temperaturschwankungen, zu reproduzieren. In der Regel führt ein solcher Vorgang zu einer diffusen und homogenen Dehnung des Materials bis zu einem bestimmten Punkt. Hier dagegen konzentriert sich unter der Einwirkung von Wasserstoff die gesamte Verformung an einer Stelle, wodurch das Material in diesem Bereich immer spröder wird, bis es reißt. Normalerweise verhindert eine materialeigene Oxidschicht das Eindringen von Wasserstoff in die Struktur. Unter der Einwirkung von mechanischer Belastung kann das Gas jedoch die Schwachstelle nutzen, um die Anlage lokal zu beschädigen.

Es ist allerdings zu bedenken, dass diese Ergebnisse aus Versuchen unter Laborbedingungen hervorgegangen sind. “Wir sind weit entfernt von der industriellen Situation, die nach wie vor komplex ist”, sagt Christien. Natürlich handelt es sich nicht um den gleichen Maßstab. Darüber hinaus sind die Stähle je nach Standort nicht alle gleich, einige haben Innenbeschichtungen, andere nicht, und dasselbe gilt für Wärmebehandlungen…”. Weitere Studien werden daher notwendig sein, um ein genaueres Verständnis der Wirkung von Wasserstoff auf das gesamte Erdgastransportnetz zu erhalten.

Die Herausforderungen der Produktion

Die wissenschaftliche Arbeit trägt somit zu einem besseren Verständnis der Auswirkungen von Wasserstoff auf Metalle unter bestimmten Bedingungen bei. Kann auf dieser Grundlage ein Material geschaffen werden, das für diese Belastungen völlig unempfindlich ist? “Es scheint heute unrealistisch, ein solches Traummaterial zu finden”, sagt der Mines Saint-Étienne-Forscher. “Andererseits können wir uns vorstellen, durch das Experimentieren mit Mikrostrukturen oder Oberflächenbehandlungen die Haltbarkeit der verwendeten Metalle deutlich zu erhöhen”.

Wenngleich der Wasserstoffsektor große Ambitionen hat, muss er doch zunächst Antworten auf eine Reihe von Fragen finden. Die Sicherheit von Transport und Lagerung ist eine davon, ebenso wie die sich fortwährend stellenden Fragen der Optimierung von Produktionsprozessen, um sie wettbewerbsfähig zu machen. Ohne ein robustes und sicheres Netz wird es für Wasserstoff schwierig sein, sich als der Energieträger der Zukunft zu etablieren, der er sein soll.

Redaktion: Bastien Contreras.

Quelle: Ecole des Mines

¹ Frédéric Christien ist Forscher am Laboratoire Georges Friedel, UMR CNRS/Mines Saint-Étienne.