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Gasturbinen gelten als Schlüsseltechnologie für die Energiewende. Sie sollen künftig Wasserstoff verbrennen, statt Erdgas. Forscher am Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien in Düsseldorf zeigen jedoch: Das Material hält diesen Bedingungen schlechter stand als erwartet. Nickel-Basis-Legierungen, der Standardwerkstoff für Hochtemperaturbauteile in Turbinen, verspröden unter Wasserstoffeinfluss deutlich schneller als bisherige Modelle vorhersagten.
Wasserstoffversprödung: Das Grundproblem
Wasserstoffversprödung ist kein neues Phänomen. Wasserstoffatome sind extrem klein. Sie diffundieren in Metallgitter ein und schwächen dort die atomaren Bindungen. Das Material wird spröde, Risse entstehen schneller, Bauteile versagen früher als geplant.
Bei Gasturbinen kommen zwei Faktoren hinzu. In der Brennkammer herrschen Temperaturen von weit über 1.000 Grad Celsius. Bei der Wasserstoffverbrennung entsteht außerdem mehr Wasserdampf als bei Erdgas. Beides beschleunigt die Diffusion von Wasserstoff in das Metall erheblich.
Nickel-Basis-Legierungen wurden für diese Einsatzbedingungen über Jahrzehnte optimiert. Sie vertragen Hitze, Korrosion und mechanischen Stress. Gegen Wasserstoffdiffusion unter Verbrennungsbedingungen sind sie jedoch anfälliger als bislang angenommen.
Was die Forschungsergebnisse bedeuten
Die Düsseldorfer Forscher haben untersucht, wie sich Wasserstoff in die Mikrostruktur dieser Legierungen einarbeitet. Das Ergebnis: Die Schädigungsmechanismen setzen früher ein und verlaufen aggressiver als bisherige Laborversuche zeigten. Standardisierte Prüfmethoden bei Raumtemperatur unterschätzen die realen Verhältnisse in einer Turbine.
Für Betreiber und Hersteller hat das direkte Konsequenzen. Wartungsintervalle, die auf Erdgasbetrieb ausgelegt sind, gelten für Wasserstoffbetrieb nicht ohne Weiteres. Bauteillebensdauern müssen neu berechnet werden. Ersatzteilplanung und Inspektionsrhythmen geraten unter Revisionsdruck.
Offene Fragen für Hersteller und Betreiber
Mehrere große Turbinenhersteller arbeiten bereits an wasserstofffähigen Gasturbinen. Siemens Energy und General Electric Vernova haben entsprechende Entwicklungsprogramme laufen. Die neuen Erkenntnisse zur Versprödung betreffen aber nicht nur Neuentwicklungen, sondern auch bestehende Anlagen, die schrittweise auf Wasserstoff-Erdgas-Gemische umgestellt werden sollen.
Die EU-Erneuerbaren-Richtlinie schreibt vor, dass bis 2030 mindestens 42 Prozent des industriellen Wasserstoffverbrauchs aus erneuerbaren Quellen stammen müssen. Für Deutschland entspricht das rund sieben Terawattstunden grünem Wasserstoff jährlich. Ein erheblicher Teil davon soll über Gasturbinen genutzt oder verstromt werden.
Wenn die Werkstoffprobleme nicht gelöst sind, bevor diese Mengen verfügbar werden, entstehen Betriebsrisiken. Ungeplante Ausfälle in der Stromerzeugung oder industriellen Prozesswärme treffen Betreiber hart. Versicherungen und Anlagenfinanzierer dürften auf gesicherte Werkstoffdaten bestehen.
Alternativen und Forschungsbedarf
Zwei Wege zeichnen sich ab: neue Legierungszusammensetzungen, die Wasserstoffdiffusion besser hemmen, sowie verbesserte Schutzschichten und Barrierebeschichtungen, die den Kontakt zwischen Verbrennungsgas und Grundwerkstoff reduzieren. Beides ist Gegenstand laufender Forschung, aber noch nicht serienreif.
Wer Turbinenkomponenten für Wasserstoffbetrieb zertifizieren will, braucht außerdem Normen, die reale Hochtemperaturbedingungen abbilden. Bestehende Standards wurden für Erdgas entwickelt.
Fazit
Die Forschungsergebnisse aus Düsseldorf liefern keinen Grund, Wasserstoffturbinen grundsätzlich in Frage zu stellen. Sie zeigen aber, dass der technische Entwicklungsstand und der politisch gesetzte Zeitplan auseinanderklaffen. Wer als Betreiber oder Zulieferer in Gasturbinentechnik investiert, sollte Werkstoffdaten für Wasserstoffbetrieb ausdrücklich einfordern. Hersteller stehen unter Druck, Lösungen zu liefern, bevor regulatorische Vorgaben greifen.
