Hydrogen Embrittlement of Steels for Hydrogen Gas Storage

Für die Umstellung unserer derzeit auf fossilen Brennstoffen basierenden Industrie und Energiewirtschaft hin zu erneuerbaren Energien stellt Wasserstoff eine Schlüsseltechnologie dar. Dies ist dadurch begründet, dass der Energieträger Wasserstoff langzeitstabil ist und dadurch einfach gespeichert sowie über Pipelines zu Verbrauchern transportiert werden kann. Da Wasserstoff jedoch im Vergleich zu Erdgas eine geringere, volumensbezogene Energiedichte aufweist, muss Wasserstoff für denselben Energieinhalt stärker komprimiert werden als Erdgas. Durch erhöhte Wasserstoffpartialdrücke steigt die Aufnahme von Wasserstoff in Stähle, wodurch sich die Bedingungen hinsichtlich Wasserstoffversprödung verschärfen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung zu wissen, wieviel Wasserstoff verschiedene Stahlgüten in Abhängigkeit von Druck und Temperatur aufnehmen. Dazu wurden im Zuge dieser Arbeit industrielle Stähle mit ferritisch-perlitischem, angelassen martensitischem Gefüge sowie ein Vergütungsstahl mit verschiedenen Wärmebehandlungen und ein austenitischer Werkstoff in zwei Verformungszuständen unter Drücken bis zu 1000 bar und Temperaturen bis 200 °C untersucht. Um Aussagen darüber treffen zu können, was die aufgenommenen Wasserstoffgehalte in Hinblick auf die Wasserstoffversprödungsneigung der Werkstoffe bedeuten, erfolgten darüber hinaus Constant Load und Slow Strain Rate Tests sowie die Bestimmung des kritischen Wasserstoffgehaltes. Darüber hinaus wurden die Diffusionskinetik sowie das Trappingverhalten der einzelnen Stähle untersucht. Bei Raumtemperatur wurden von Kohlenstoffstählen mikrostrukturunabhängig keine höheren Gehalte als 1,1 wt.-ppm aufgenommen. Dieser Gehalt befindet sich für höherfeste Güten im Bereich oder über deren kritischem Wasserstoffgehalt. Daher ist für diese Stähle beim Einsatz unter sehr hohen Wasserstoffpartialdrücken mit einer gesteigerten Versprödungsneigung zu rechnen. Obwohl das Sieverts¿sche Gesetz ein ideales Gaseverhalten voraussetzt, zeigt sich unter Berücksichtigung der Messunsicherheit auch unter hohen Drücken ein linearer Zusammenhang von Wasserstoffgehalt und der Quadratwurzel des Partialdrucks. Die Wasserstoffaufnahme des untersuchten, austenitischen Werkstoffes übersteigt jene der ferritisch/martensitischen Güten um das Hundertfache. Trotzdem weist der Werkstoff eine sehr hohe Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung auf, wobei sich Wasserstoffgehalte um 100 wt.-ppm vor allem auf die Brucheinschnürung auswirken, während die Bruchdehnung unbeeinflusst bleibt.