Betriebsfestigkeit

Eine wesentliche Grundvoraussetzung für die zukünftige Nutzung von Wasserstoff ist die Sicherheit des mit Wasserstoff-beaufschlagten Systems. Dies gilt sowohl für die Produktion von Wasserstoff in Elektrolyseuren, dessen Transport in Tanks sowie für die Nutzung etwa in der Mobilität, insbesondere bei Brennstoffzellensystemen zum Betrieb von Fahrzeugen zu Land, zu Wasser oder in der Luft. Die betriebsfeste Auslegung von Bauteilen und Komponenten im Kontakt mit Wasserstoff ist dabei unter Berücksichtigung von Kosten und Leichtbau von höchster Bedeutung.

Im Rahmen des Leistungszentrums werden am Fraunhofer LBF deshalb an Wasserstoff-beaufschlagten Bauteilen etwa für Antriebskomponenten, Rohrleitungen oder Speichereinheiten Last- und Beanspruchungsanalysen zur Betriebsfestigkeits- und Lebensdauerbewertung sowie zur Analyse des zyklischen Werkstoffverhaltens durchgeführt. Die Forschungsaktivitäten umfassen die Untersuchung und die Bewertung des Einflusses von Wasserstoff auf unterschiedliche metallische und polymerbasierte Materialien unter Berücksichtigung von Betriebseinflüssen, z. B. Druck, Reinheit und Restfeuchtegehalt des Wasserstoffs. Ebenso berücksichtigt werden Beanspruchungen im Betrieb, wie Vibrationen und Schwingungen durch den Gasstrom sowie Auswirkungen der Temperatur z.B. beim Tankvorgang.

Ebenso werden z. B. an Elektrodenmaterialien von Brennstoffzellen oder Rohrleitungswerkstoffen Untersuchungen auf Makro-, Meso- und Mikroebene durchgeführt. Ziel ist die Bewertung der Kette von Last-Beanspruchung-Gestalt-Werkstoff-Systemzuverlässigkeit. Zum einen, um daraus Aussagen über Degradation, Lebensdauern des Gesamtsystems und einzelner Komponenten abzuleiten und zum anderen, um Optimierungspotenziale hinsichtlich Zuverlässigkeit und Wirkungsgrad einzelner Komponenten (z. B. Elektrolysezellen) zu ermitteln.

Im Rahmen der Forschungsarbeiten des Leistungszentrums wird durch experimentelle und numerische Untersuchungen die Werkstoff- und Bauteilschwingfestigkeit sowie die Betriebsfestigkeit von Transport- und Speicherkomponenten untersucht. Ein Schwerpunkt der Aktivitäten bildet die Entwicklung und Bewertung von Materialien für eine hohe Beanspruchbarkeit, um den Einfluss der Wasserstoffversprödung in Abhängigkeit der Mikrostruktur bewerten zu können.