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Im Beitrag werden die sicherheitstechnischen Eigenschaften von Wasserstoff diskutiert. Sowohl die Herstellung durch Wasserelektrolyse als auch die Einspeisung von Wasserstoff ins Erdgasnetz werden im Hinblick auf mögliche Gefahren durch die Veränderung von sicherheitstechnischen Kenngrößen unter Prozessbedingungen betrachtet.
Bei der Power-to-Gas-Technologie wird überschüssiger Strom aus erneuerbaren Ener-gien durch Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff umgewandelt. Dieser Wasserstoff kann als „chemischer Energiespeicher“ dienen und rückverstromt werden oder aber in das Erdgasnetz eingespeist werden. Die BAM hat die Auswirkungen von Wasserstoffzu-sätzen zum Erdgas im Hinblick auf den Explosionsschutz untersucht und sicherheitstechnische Kenngrößen für Erdgas-Wasserstoff-Gemische bestimmt.
Von besonderem Interesse waren dabei die Explosionsgrenzen, die Sauerstoffgrenzkonzentration, die maximalen Explosionsdrücke, die KG-Werte und die Normspaltweiten. Für die Messungen sind zwei Modellgase eingesetzt worden, reines Methan und ein Modell-Erdgas mit Anteilen höherer Kohlenwasserstoffe. Sie repräsentieren die Bandbreite der in Deutschland eingesetzten Erdgase.
Die Untersuchungen ergaben, dass bei einem Zusatz von bis zu 10 Mol-% Wasserstoff keine der untersuchten Kenngrößen signifikant beeinflusst wird. Die Gemische haben nur geringfügig erweiterte Explosionsbereiche und bleiben, wie die reinen Erdgase, in der Explosionsgruppe IIA. Auch die maximalen Explosionsdrücke und die zeitlichen Druckanstiege bei den Gasexplosionen werden nur wenig beeinflusst.
Wasserstoff wird als ein potenzieller alternativer Energieträger gesehen, mit dem die für 2050 gesetzten Klimaziele erreicht werden könnten. Der Transport von Wasserstoff ist mittels verschiedener Speichertechniken möglich, von denen der kryogene Transport mit den größten volumetrischen Energiedichten einhergeht. Hierdurch eignen sich diese Speicher besonders für die energieintensiven Verkehrsmittel im Land-, See- und Flugverkehr.
Im Vortrag werden Speichertechniken, Gefahren im Umgang mit kryogenen Gasen sowie bisherige Störfälle dargestellt. Darauf aufbauend wird ein Teil der aktuellen Forschungsarbeit an der BAM vorgestellt, die die Sicherheit dieser Speicher unter außergewöhnlichen Belastungen adressiert.
Mit zunehmender Produktion und Einsatz von Wasserstoff kommt immer mehr die Frage auf, inwieweit etablierte Freistrahlmodelle geeignet sind die Freisetzung von Wasserstoff aus Ausbläsern ausreichend genau zu berechnen, um darauf aufbauend Aussagen zum Explosionsschutz treffen zu können. Ein Vergleich mit experimentellen Untersuchungen zeigt, dass die Berechnungen von Modellen, die z.B. für Erdgas geeignete sind, für sehr leichte Gase größere Abweichungen ergeben können. Es sind daher Modifikationen für das Integralmodell von Schatzmann und das empirische Modell von Chen/Rodi entwickelt und mit experimentellen Untersuchungen verglichen worden. Bei einer verzögerten Zündung der Wasserstoff-Gaswolke sind bei experimentellen Untersuchungen relevante Explosionsüberdrücke gemessen worden, die bei einer Gefährdungsbeurteilung berücksichtigt werden sollten. Hierfür ist ein Berechnungsansatz in Verbindung mit dem Multi-Energy-Modell entwickelt worden.
Die BAM ist nahezu über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg wissenschaftlich tätig. Von der sicheren und effizienten Wasserstofferzeugung (POWER-to-GAS), über die (Zwischen-)Speicherung von Wasserstoff in Druckgasspeichern bis hin zum Transport bspw. mittels Trailerfahrzeug zum Endverbraucher.
Komplettiert werden die Aktivitäten der BAM durch die sicherheitstechnische Beurteilung von wasserstoffhaltigen Gasgemischen, die Verträglichkeitsbewertung von Werkstoffen bis hin zur Detektion von Wasserstoffkonzentrationen über geeignete Sensorik, auch mittels ferngesteuerter Messdrohnen (sog. UAV-Drohnen).
Zudem untersucht die BAM proaktiv Schadensrisiken und Unfallszenarien für die Sicherheitsbetrachtung, um mögliche Schwachstellen aufzeigen und potenzielle Gefährdungen erkennen zu können.
Bei der Power-to-Gas-Technologie wird überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energien durch Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff umgewandelt. Dieser Wasserstoff kann als „chemischer Energiespeicher“ dienen und rückverstromt werden oder aber in das Erdgasnetz eingespeist wer-den. Im Rahmen dieser Arbeit sind die Auswirkungen von Wasserstoffzusätzen zum Erdgas im Hin-blick auf den Explosionsschutz untersucht und die sicherheitstechnischen Kenngrößen für Erdgas-Wasserstoff-Gemische bestimmt worden. Von besonderem Interesse waren diejenigen Kenngrößen, die für reines Methan (Erdgas) und Wasserstoff deutliche Unterschiede aufweisen. Anders als bei vielen Literaturquellen, sollten im Rahmen dieser Arbeit die im Bereich der ATEX geltenden, harmo-nisierten Normen zur Bestimmung der Kenngrößen angewendet werden.
Die Untersuchungen ergaben, dass bei einem Zusatz von bis zu 10 Mol-% Wasserstoff keine der un-tersuchten Kenngrößen relevant beeinflusst wird. Die Gemische haben nur geringfügig erweiterte Explosionsbereiche und bleiben, wie die reinen Erdgase, in der Explosionsgruppe IIA. Auch die ma-ximalen Explosionsdrücke und die maximalen zeitlichen Druckanstiege bei Gasexplosionen werden nur wenig beeinflusst. Vergleichende Berechnungen zur Festlegung von explosionsgefährdeten Be-reichen (Ex-Zonen) auf Basis von Gasausbreitungsberechnungen ergaben ebenfalls nur geringfüge Unterschiede zum reinen Erdgas. Der Einsatz von Gaswarngeräten, die für Erdgas kalibriert wurden, ist für Erdgas-Wasserstoff-Gemische grundsätzlich möglich, erfordert aber eine gesonderte Sicher-heitsbewertung und ggf. eine Nachjustierung.
In einem von der BG ETEM geförderten Vorhaben wurden sicherheitstechnische Kenngrößen für den Explosionsschutz von Erdgas-Wasserstoff-Gemischen nach den aktuellen europäischen Normen gemessen. Dabei können für Stoffmengenanteile bis zu 10% Wasserstoff folgende Aussagen getroffen werden: Die unteren Explosionsgrenzen und Sauerstoffgrenzkonzentrationen verändern sich nur wenig. Der Einfluss auf Explosionsdrücke und KG-Werte ist ebenfalls vernachlässigbar. Die Modellgase mit Wasserstoffanteilen von bis zu 10 Mol-% erfüllen weiterhin sicher die Voraussetzung für die Ex-Gruppe IIA. Höhere Wasserstoffanteile (> 30%) können einige Kenngrößen relevant beeinflussen (z. B. OEG, LOC, MESG, KG).
In einem Vorhaben wurden sicherheitstechnische Kenngrößen für den Explosionsschutz von Erdgas-Wasserstoff-Gemischen nach den aktuellen europäischen Normen gemessen. Dabei können für Stoffmengenanteile bis zu 10% Wasserstoff folgende Aussagen getroffen werden:
Die unteren Explosionsgrenzen und Sauerstoffgrenzkonzentrationen verändern sich nur wenig.
Der Einfluss auf Explosionsdrücke und KG-Werte ist ebenfalls vernachlässigbar.
Die Erdgase mit Wasserstoffanteilen von bis zu 10 Mol-% erfüllen weiterhin sicher die Voraussetzung für die Ex-Gruppe IIA.
Höhere Wasserstoffanteile (> 30%) können einige Kenngrößen relevant beeinflussen (z. B. OEG, LOC, MESG, KG).
Berechnungen zeigen nur geringen Einfluss von 10 % H2 auf die Gasausbreitung.
Gaswarngeräte müssen in der Regel neu kalibriert werden.
In-situ ED-XRD und Radiographie während eines Zugversuchs an wasserstoffbeladenem Supermartensit
(2017)
In diesem Vortrag werden Ergebnisse von in situ Experimenten am Berliner Elektronenspeicherring (BESSY II) vorgestellt. Es wurden Zugversuche an wasserstoffbeladenen und wasserstofffreien supermartensitischen Proben durchgeführt und gleichzeitig sowohl Diffraktionsspektren als auch röntgenradiographische Bilder aufgenommen. Die energiedispersive Röntgendiffraktion ermöglichte dabei in-situ die dehnungsinduzierte Phasenumwandlung von Restaustenit zu Martensit zu beobachten. Die Radiographiebilder der zerreisenden Probe gaben Einblicke in das Bruchverhalten in Abhängigkeit vom Wasserstoffgehalt des Supermartensits.
Die wasserstoffunterstützte Schädigung von Komponenten und Bauteilen aus Stahl ist ein Phänomen, welches seit vielen Jahrzehnten bekannt ist und untersucht wird. Eine Vielzahl von Quellen (z.B. Schutzgas oder Feuchtigkeit beim Schweißen, Reinigung von Metallen in Säurebädern, galvanischer oder kathodischer Schutz) ermöglicht die Wasserstoffaufnahme in den Stahl. Der im Gitter gelöste oder an Wasserstoffhaftstellen (Versetzungen, Grenzflächen, Poren, etc.) getrappte Wasserstoff diffundiert aufgrund von Konzentrationsgradienten oder getrieben durch Spannungs- bzw. Dehnungsgradienten durch das vorliegende Gefüge, wo er in Kombination mit einwirkenden Beanspruchungen (äußere Last oder Eigenspannungen) eine lokale, signifikante Degradation der mechanisch-technologischen Eigenschaften bewirken kann.
Die dazu entwickelten und allgemein anerkannten Schädigungsmodelle gehen unter anderem von einem Einfluss des Wasserstoffs auf die Versetzungsentstehung und Versetzungsbeweglichkeit aus. Des Weiteren wird angenommen, dass Wasserstoff nicht nur durch Diffusion im Gitter transportiert wird, sondern auch an Versetzungen angehaftet ist und sich mit diesen im Falle plastischer Verformung mitbewegt.
Wasserstoff hat im Vergleich zu den meisten üblichen Legierungselementen von Stahl (Eisen, Chrom, Kohlenstoff) einen großen Wechselwirkungsquerschnitt für kalte und thermische Neutronen, was Neutronenradiographie und -tomographie zu geeigneten bildgebenden Verfahren zur lokalen Detektion von Wasserstoffakkumulationen in Stahl macht.
Elektrochemisch mit Wasserstoff beladene Zugproben aus supermartensitischem Stahl wurden vor und nach dem Zugversuch an der ANTARES beamline am FRM II polychromatisch radiographiert bzw. tomographiert. Die Bruchoberfläche der Probe wurde zusätzlich rasterelektronenmikroskopisch charakterisiert. Die Fraktographien der Bruchoberfläche in Verbindung mit den durch die Tomographie gewonnenen Informationen zu Wasserstoffansammlungen zeigen, dass nach dem Bruch auch in duktilen Versagensbereichen untypischerweise vermehrt Wasserstoff zu finden ist.