25.02.2025
Commentary
Der erfolgreiche Einsatz von Wasserstofftechnologien braucht Messmethoden und Bewertungskriterien für Materialien sowie internationale Normen und Standards. Deswegen hat das Bundeswirtschaftsministerium eine „Normungsroadmap Wasserstofftechnologien“ in Auftrag gegeben. Darin haben sieben Institute und Verbände den Status Quo an Normen und Dokumenten zur technischen Regelsetzung für Wasserstoff erfasst. Das Ergebnis: Das bestehende technische Regelwerk muss teilweise für die Nutzung von Wasserstoff überarbeitet und identifizierte Lücken geschlossen werden. Was das für die Stahl- und stahlverarbeitende Industrie bedeutet, hat Werner Hannig in einem Interview zusammengefasst.
Wie bewerten Sie als stahlverarbeitendes Unternehmen den Status Quo bei der H2-Normung?
Hannig: Beim industriellen Hochlauf von H2-Technologien befinden wir uns noch im Projektstatus. Das betrifft insbesondere die Normung. Dabei ist diese speziell für uns wichtig, schließlich kommen unsere Produkte bei allen mobilen, stationären und industriellen H2-Anwendungen zum Einsatz. Ohne Standards funktioniert das Zusammenspiel der Liefer- und Wertschöpfungskette nicht reibungslos und alle Beteiligten bewegen sich in einem Graubereich, vor allem hinsichtlich Kompatibilität, Werkstoffqualität und Haftung.
Warum braucht es für den Einsatz von Wasserstoff neue Vorgaben?
Hannig: Das liegt an den spezifischen Eigenschaften von Wasserstoff. Als kleinstes Atom kann sich Wasserstoff in den Zwischengitterplätzen der Kristallstruktur von Stahl bewegen. Stahl besteht typischerweise aus einem kubisch-raumzentrierten (Ferrit) oder kubisch-flächenzentrierten (Austenit) Gitter. Gitterstrukturen haben Hohlräume, die es H2-Atomen ermöglichen, sich durch den Stahl zu bewegen bzw. zu diffundieren. In der Folge kommt es zu Wasserstoffeinlagerungen im Gitter oder in Gefügefehlstellen. Man spricht hier von „Wasserstoffversprödung“, die die mechanischen Eigenschaften des Metalls verändern und eine Reduzierung der Duktilität, also der Zähigkeit des Stahls, verursachen kann. Hieraus resultieren Schädigungen wie Blasen- oder Porenbildung sowie Bauteilversagen durch Risse oder Brüche bei statischen oder dynamischen Belastungen. Wenn man bedenkt, dass der Standarddruck von Wasserstofftanks in Brennstoffzellenautos 700 bar beträgt, wird die Problematik schnell plausibel.
Welche Arten von Edelstahl gibt es, und wie reagieren sie auf Versprödung?
Hannig: Die Gefügestrukturen Delta-Ferrit und α‘-Martensit nehmen bei einer Beaufschlagung verstärkt Wasserstoff auf. Der diffusibele Wasserstoff reichert sich im Gefüge an und führt zu einer Reduzierung der werkstoffspezifischen Duktilität und bei Belastung zu vorzeitigem Versagen. Ferritische NR-Stähle, z. B. 1.4510, 1.4512 und 1.4521, bestehen zu 100 % aus einer Ferrit-Phase, über die sehr schnell Wasserstoff-Atome aufgenommen werden. Das führt zu einer ausgeprägten Sprödbruchneigung unter statischer oder dynamischer Belastung. Gleiches gilt für martensitische NR-Stähle und etwas abgeschwächt auch für NR-Stähle mit Duplex-Gefüge. In allen Fällen ist eine hohe bis sehr hohe Aufnahme zu beobachten. Höherlegierte, austenitische NR-Stähle. z. B. 1.4401, 1.4404 oder 1.4435, haben dagegen einen sehr niedrigen Delta-Ferrit-Gehalt und zeigen deswegen eine geringe Wasserstoffaufnahme und somit eine nur geringfügig reduzierte Duktilität. Durch Kaltumformung entsteht aber auch bei austenitischen NR-Stählen eine verspannte Gitterstruktur, die Martensit genannt wird. Dieser Gittertyp zeigt eine verstärkte Wasserstoffaufnahme, die ebenfalls zur Reduzierung der Zähigkeit führt.
Welche Rolle spielen Legierungen bei der Wasserstoffversprödung?
Hannig: Grundsätzlich beeinflussen Legierungselemente die Diffusion und damit die Versprödung, indem sie die Gitterstruktur verändern oder Wasserstofffallen erzeugen: Austenit stabilisierende Legierungsbestandteile wie Nickel reduzieren den Delta-Ferrit-Anteil und somit die Wasserstoffaufnahme und damit die Versprödungsanfälligkeit. Ferrit stabilisierende Bestandteile wie Chrom, Mo oder Ti erhöhen hingegen die Anfälligkeit gegenüber einer Wasserstoffaufnahme.
Welche Faktoren beeinflussen davon abgesehen den Grad der Wasserstoffversprödung?
Hannig: Neben der Mikrostruktur des Stahls beschleunigen Druck und Belastung die Wasserstoffaufnahme. Gleiches gilt für hohe Temperaturen und hohe Wasserstoffkonzentration: Beides führt zu einem stärkeren Diffusionsstrom ins Material.
Die „Normungsroadmap“ erwähnt mehrere Regelwerke, die es zu überarbeiten gilt. Gibt es Beispiele, an denen sich Ihre Branche übergangsweise orientieren kann?
Hannig: In dem für Schoeller relevanten Bereich der Edelstahlverarbeitung gibt es zurzeit nur eine US-Norm aus dem Bereich der Mobilität, die zwei Kriterien beim Einsatz von Edelstahl klar definiert und Vorgaben zu den bei Wasserstoffanwendungen benötigten Gefügestrukturen macht. Bei dem Standard (SAE J2579) handelt sich um ein Regelwerk, das durch die globale Vereinigung Society of Automotive Engineers aufgesetzt wurde und sich auf den „Standard for Systems in Fuel Cell and other Hydrogen Vehicels“ konzentriert. Die maßgeblichen Kriterien sind spezifische Gefügestrukturen (Delta-Ferrit und α‘-Martensit), die in austenitischen NR-Stählen vorliegen bzw. auftreten können.
Mit welchen Prüfverfahren ermitteln Sie die Versprödungsanfälligkeit einzelner Werkstoffe?
Hannig: Wir nutzen mechanische oder technologische Werkstoffprüfungen, um eine reduzierte Duktilität und damit eine Verringerung der werkstoffspezifischen Gleichmaß- und Bruchdehnung nachzuweisen.
Besitzt Schoeller mit seinem Knowhow in der Stahlverarbeitung beim Thema Wasserstoff einen „USP“ im Bereich der Wasserstoffanwendungen?
Hannig: Ja. Unser USP sind unser langjährig aufgebautes Expertenwissen sowie die in den letzten Jahren getätigten Investitionen in unsere Fertigungs- und Prüftechnologie. Bei Schoeller verfügen wir über eine Auswahl an geeigneten Prozessen und Technologien zur Herstellung von wasserstoffgeeigneten Halbzeugen. Wir können je nach Produktapplikation nicht nur auf die Schmelzschweißtechnologien WIG und Laser zurückgreifen, sondern sind durch Nutzung unterschiedlicher Wärmebehandlungsverfahren auch in der Lage, über anwendungsspezifische Temperaturführung sowie Haltezeitenanpassung ausgewählte Gefügestrukturen einzustellen.
(Quelle: Pressemeldung Schoeller Werk GmbH & Co. KG)
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