Verbundwerkstoffe für Verdichter

Die Infrastruktur für Wasserstoffpipelines wird häufig als Variante eines vertrauten Konzepts betrachtet: Methan durch Wasserstoff ersetzen, einige Werkstoffe aufrüsten, Betriebsbereiche anpassen – und schon ist die Energiewende einen Schritt weiter. In der Praxis hält diese Annahme einer genaueren Betrachtung jedoch kaum stand. Wasserstoff ist nicht einfach nur ein leichteres Gas. Sein molekulares Verhalten verändert nahezu alles – von der Werkstoffauswahl und den Dichtungskonzepten über die Architektur von Verdichtern und die Abstände zwischen Verdichterstationen bis hin zu Lebenszykluskosten und letztlich zur Systemsicherheit.

Die Erdgasinfrastruktur wurde innerhalb stabiler Betriebsgrenzen entwickelt. Wasserstoffpipelines sind dagegen gleichzeitig mit mehreren technischen Einschränkungen konfrontiert. Wasserstoff permeiert besonders stark, kann Metalle verspröden, besitzt nahezu keine Schmierwirkung und erfordert Verdichtungskonzepte, die herkömmliche rotierende Maschinen an ihre physikalischen Grenzen bringen. Diese Eigenschaften beeinflussen sich gegenseitig und zeigen, wie fragil viele der aus der Erdgasinfrastruktur übernommenen Annahmen sind.

Im Zentrum dieser Herausforderung steht die Verdichtung. Wasserstoff bewegt sich nicht von selbst durch Pipelines. Verdichter sind notwendig, um den Volumenstrom aufrechtzuerhalten, Druckverluste auszugleichen und den Transport im industriellen Maßstab zu ermöglichen. Gleichzeitig treffen bei der Verdichtung einige der anspruchsvollsten Eigenschaften von Wasserstoff zusammen. Deshalb müssen Werkstoffe, Maschinenauslegung und langfristige Zuverlässigkeit neu bewertet werden.

Warum sich Wasserstoff grundlegend von Erdgas unterscheidet

Der wichtigste Unterschied zwischen Wasserstoff und Erdgas liegt auf molekularer Ebene. Wasserstoff ist das kleinste Molekül, das beim industriellen Gastransport eine Rolle spielt – und allein diese Tatsache hat weitreichende Folgen. Für eine vergleichbare Verdichtungsanforderung muss die Umfangsgeschwindigkeit eines Laufrads bei Wasserstoff etwa 2,8-mal höher sein als bei Methan. Grund dafür sind die geringe Molekülmasse und der quadratische Zusammenhang zwischen Umfangsgeschwindigkeit und Verdichtungsverhältnis. Permeation lässt sich dadurch kaum vermeiden. Wasserstoff dringt leicht durch Metalle, Polymere und Elastomere und stellt damit Annahmen infrage, die in Erdgassystemen jahrzehntelang Bestand hatten.

Bei metallischen Bauteilen zeigt sich diese Permeation in Form von Wasserstoffversprödung. Mit der Zeit diffundiert Wasserstoff in das Metallgitter, schwächt die strukturelle Integrität und erhöht die Anfälligkeit für Rissbildung und Versagen. Obwohl dieser Effekt gut dokumentiert ist, bleibt Wasserstoffversprödung eine entscheidende Auslegungsgrenze – insbesondere dann, wenn bestehende Erdgasleitungen für den Wasserstofftransport umgerüstet werden.

Bei nichtmetallischen Komponenten führt die Permeation zu einem anderen Schadensmechanismus: der schnellen Gasdekompression. Elastomere nehmen unter hohem Wasserstoffdruck Gas in ihre Struktur auf. Fällt der Druck plötzlich ab, dehnt sich der eingeschlossene Wasserstoff schneller aus, als er aus dem Material diffundieren kann. Dies kann zu Blasenbildung, Rissen und Leckagen führen. Bei Wasserstoff stellen Leckagen ein unmittelbares Sicherheitsrisiko dar – insbesondere wegen der geringen Zündenergie und der nahezu unsichtbaren Flamme.

Diese Effekte treten nicht isoliert voneinander auf. Die Permeation ist sowohl Grundlage der Versprödung von Metallen als auch der Dekompressionsschäden bei Elastomeren. Sie ist damit eine wesentliche Ursache für zahlreiche Zuverlässigkeits- und Sicherheitsrisiken und verlangt eine grundlegend andere Werkstoffstrategie als in herkömmlichen Erdgassystemen.

Verdichtung als entscheidende Voraussetzung für Wasserstoffpipelines

Verdichtung ist für den Betrieb von Pipelines unverzichtbar. In Wasserstoffsystemen wird sie jedoch zu einer zentralen technischen Herausforderung. Aufgrund seiner geringen Molekülmasse lässt sich Wasserstoff nur schwer verdichten. Erforderlich sind höhere Umfangsgeschwindigkeiten, engere Toleranzen und eine wesentlich stärkere Berücksichtigung des thermischen und tribologischen Verhaltens als bei Erdgas.

Kolbenverdichter, die in der Gasübertragung weit verbreitet sind, stehen unmittelbar vor mehreren Problemen. Wasserstoff besitzt eine extrem geringe Schmierwirkung. Dadurch entsteht erheblicher Verschleiß an bewegten Bauteilen wie Kolbenringen, Führungsringen und Stopfbuchsenringen. Gleichzeitig sind ölgeschmierte Lösungen wegen der Gefahr einer Verunreinigung problematisch.

Das Ergebnis ist eine trockene Umgebung mit hohem Druck und hoher Temperatur, die den Verschleiß stark beschleunigt. Während Komponenten im Erdgasbetrieb üblicherweise Standzeiten von rund 8.000 Stunden erreichen, können vergleichbare Anwendungen mit Wasserstoff Schwierigkeiten haben, überhaupt 2.000 Stunden zu erreichen. Radialverdichter, die häufig aufgrund ihrer Fähigkeit bevorzugt werden, große Volumenströme effizient zu fördern, stoßen auf eine andere Grenze. Für eine effektive Wasserstoffverdichtung sind Umfangsgeschwindigkeiten am Laufrad von etwa 600 Metern pro Sekunde erforderlich.

Hydrogen Innovation Center: Entwicklungs- und Testzentrum für Wasserstofftechnologien

Das Hydrogen Innovation Center startete in Chemnitz. Mit 84,4 Mio. EUR Förderung entstehen Entwicklungs- und Testkapazitäten für Wasserstofftechnologien, die vor allem KMU und Startups neue Wertschöpfungsfelder eröffnen sollen.

Redaktion FLUID

Herkömmliche geschlossene Metall-Impeller arbeiten im Betrieb typischerweise mit bis zu rund 360 Metern pro Sekunde. Einige offene Konstruktionen erreichen vor dem Bersten etwa 500 Meter pro Sekunde. Traditionelle metallische Impeller können die für Wasserstoff erforderlichen Geschwindigkeiten daher nicht erreichen, ohne die Werkstoffgrenzen zu überschreiten. Das Laufrad wird zu schwer und erzeugt Belastungen, denen Wellen und Lager nicht standhalten können. Dadurch entsteht eine physikalische Obergrenze für die erreichbare Verdichtungsleistung.

Diese Einschränkung ist grundlegender physikalischer und nicht primär wirtschaftlicher Natur. Solange Masse und Festigkeit des Impellers nicht gleichzeitig optimiert werden, bleibt die radiale Verdichtung von Wasserstoff eingeschränkt. Betreiber müssen dann auf weniger effiziente Architekturen mit mehr Verdichtungsstufen, größerem Platzbedarf und höheren Lebenszykluskosten ausweichen.

Wo metallische Komponenten an ihre Grenzen stoßen

Metallische Werkstoffe bilden seit Generationen die Grundlage für die Konstruktion rotierender Maschinen. Wasserstoff macht ihre Schwächen jedoch besonders deutlich. Festigkeit allein reicht nicht aus. Ebenso entscheidend ist die Dichte.

Bei Radialverdichtern erfordern schwerere Impeller zusätzliche Stufen, um den gewünschten Druck zu erreichen. Jede weitere Stufe erhöht Komplexität, Kosten und Wartungsaufwand. Die Belastungen auf die Welle nehmen zu, das Auswuchten wird schwieriger und die Zuverlässigkeit des Systems sinkt. Ab einem bestimmten Punkt ist die Ergänzung weiterer Stufen weder mechanisch noch wirtschaftlich sinnvoll.

Auch die Temperatur verschärft die Problematik. Anders als Gase wie Kohlendioxid, die sich bei der Expansion abkühlen, kann Wasserstoff bei der Dekompression Wärme erzeugen. Dadurch steigen die thermischen Belastungen in den Verdichterkomponenten. Bauteile müssen somit erhöhten Temperaturen in einer Umgebung standhalten, in der Schmierfilme ohnehin weitgehend fehlen. Metalle können zwar hohe Temperaturen verkraften, doch problematisch wird die Kombination aus geringer Schmierung, hoher Drehzahl und dem Risiko der Wasserstoffversprödung.

Das Ergebnis ist ein immer kleiner werdender Auslegungsbereich. Herkömmliche Legierungen können nur innerhalb eines engen Fensters sicher betrieben werden. Das begrenzt die möglichen Verdichterarchitekturen und zwingt Betreiber zu konservativen Konstruktionen, die Effizienz und Skalierbarkeit beeinträchtigen.

Wie Hochleistungsverbundwerkstoffe die Verdichtung verändern

Hochentwickelte Verbundwerkstoffe bieten einen Ausweg aus dieser Situation – nicht durch schrittweise Verbesserungen, sondern indem sie die physikalischen Möglichkeiten grundlegend erweitern. Hochleistungsverbundwerkstoffe erreichen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse, mit denen Metalle nicht mithalten können. Dadurch lassen sich leichtere Laufräder herstellen, die mit den für die Wasserstoffverdichtung erforderlichen Geschwindigkeiten betrieben werden können.

Eine geringere Laufradmasse wirkt unmittelbar auf die Beschränkung der Umfangsgeschwindigkeit. Leichtere Bauteile belasten Wellen und Lager weniger und ermöglichen höhere Drehzahlen, ohne mechanische Grenzen zu überschreiten. Für denselben Druckanstieg sind weniger Stufen erforderlich. Dadurch sinken Größe, Komplexität und Investitionskosten des Verdichters.

Bei jüngsten Berstversuchen mit geschlossenen Laufrädern aus kohlenstofffaserverstärktem PEEK-Verbundwerkstoff wurden Umfangsgeschwindigkeiten von 688 Metern pro Sekunde erreicht. Damit wurde die für eine effektive Wasserstoffverdichtung erforderliche Schwelle von rund 600 Metern pro Sekunde überschritten.

Die Auswirkungen gehen weit über das Laufrad selbst hinaus. Mit weniger Verdichtungsstufen können komplette Verdichterstationen kleiner ausfallen. Fundamente werden kompakter, Hilfssysteme einfacher und die Wartung weniger aufwendig. Über den gesamten Lebenszyklus einer Wasserstoffpipeline hinweg lassen sich dadurch Kosten, Stillstandszeiten und Betriebsrisiken reduzieren.

Entscheidend ist, dass Verbundwerkstoffkonstruktionen nicht lediglich einen Materialaustausch darstellen. Faserorientierung, Platzierung der Verstärkungen und Laminataufbau lassen sich gezielt an die für Wasserstoffverdichter typischen Spannungsverteilungen anpassen. So kann die gewünschte Leistungsfähigkeit direkt in den Werkstoff integriert werden, anstatt Werkstoffgrenzen durch Überdimensionierung an anderer Stelle kompensieren zu müssen.

Werkstofftechnik als Hebel für höhere Leistung

Bei der Wasserstoffverdichtung wird die Werkstofftechnik mindestens ebenso wichtig wie Aerodynamik oder mechanische Konstruktion. Die Möglichkeit, Verbundstrukturen gezielt auf bestimmte Lastpfade auszulegen, ermöglicht Leistungssteigerungen, die allein durch geometrische Optimierungen nicht erreichbar wären.

Durch eine gezielte Ausrichtung der Fasern gegen Fliehkräfte und thermische Gradienten können Verbundlaufräder Belastungen aufnehmen, bei denen metallische Ausführungen brechen oder sich verformen würden. Verstärkungen lassen sich genau dort konzentrieren, wo die höchsten Belastungen auftreten. An anderen Stellen kann unnötige Masse vermieden werden. Genau diese Präzision ermöglicht es Verbundbauteilen, sicher am Rand des anspruchsvollen Betriebsbereichs von Wasserstoff zu arbeiten.

Solche Konstruktionen setzen umfangreiche Werkstoffkompetenz und aufwendige Simulationen voraus. Sie sind keine einfachen Plug-and-play-Ersatzlösungen. Vielmehr markieren sie den Übergang zu einem Co-Design-Ansatz, bei dem Werkstoffverhalten, Bauteilgeometrie und Systemdynamik gemeinsam statt nacheinander entwickelt werden.

Die Vorteile leichterer Verdichter mit höheren Drehzahlen reichen über die einzelne Maschine hinaus. Sie verändern die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems. Wenn weniger Verdichtungsstufen benötigt werden, können die Abstände zwischen den Verdichterstationen steigen. Dadurch sinkt die Zahl der Stationen entlang einer Pipeline. Gleichzeitig werden die Anlagenflächen kleiner, wodurch Grundstücks- und Baukosten sinken. Auch die Energieeffizienz steigt, da mechanische Verluste reduziert werden.

Die konkreten Einsparungen hängen zwar von der jeweiligen Systemauslegung ab. Selbst konservative Schätzungen deuten jedoch darauf hin, dass eine Verringerung der Stufenzahl unmittelbare Vorteile bei den Investitionskosten mit sich bringt. Laufräder sind selbst erhebliche Kostenfaktoren und kosten typischerweise zwischen 20.000 und 30.000 US-Dollar pro Stück. Werden komplette Verdichtungsstufen eingespart, reduzieren sich darüber hinaus die Kosten für Lager, Dichtungen, Gehäuse und Hilfssysteme.

Noch wichtiger ist jedoch, dass Verbundlaufräder bestimmte Verdichterkonzepte überhaupt erst ermöglichen. Ohne sie bleiben einige Architekturen praktisch nicht realisierbar. Ihr Wert besteht daher nicht nur in niedrigeren Kosten, sondern auch darin, bislang nicht umsetzbare Konstruktionsoptionen zu erschließen.

Wasserstoffnetze für den großtechnischen Einsatz auslegen

Die Wasserstoffinfrastruktur entwickelt sich regional sehr unterschiedlich. Politische Rahmenbedingungen, Wirtschaftlichkeit und industrielle Nachfrage bestimmen das Tempo. Großprojekte wie der European Hydrogen Backbone zeigen sowohl die Ambitionen als auch die Komplexität dieser Entwicklung. Solche Projekte verbinden den Neubau von Pipelines mit der Umrüstung bestehender Leitungen. Dadurch werden eine sorgfältige Werkstoffauswahl und eine Validierung an jeder Schnittstelle notwendig.

Wasserstoff-Hubs entwickeln sich zu einem pragmatischen Modell für die erste Phase des Wasserstoffhochlaufs. Werden Produktion und Nachfrage in klar definierten Regionen konzentriert, verkürzen sich die Transportwege und Lernprozesse lassen sich beschleunigen. Der Hafen Rotterdam ist ein Beispiel für diesen Ansatz. Dort werden Wasserstoffpipelines in ein industrielles Ökosystem integriert, in dem mehrere Anwender dieselbe Infrastruktur nutzen. Diese ersten Projekte liefern nicht nur Wasserstoff, sondern auch wichtige Betriebsdaten. Erfahrungen aus realen Anwendungen sind unverzichtbar, um Werkstoffe zu validieren, Alterungs- und Schädigungsmechanismen zu verstehen und Auslegungsstandards weiterzuentwickeln. Simulationen allein können Langzeiterfahrungen unter realen Bedingungen nicht ersetzen.

Die heute getroffenen Auslegungsentscheidungen werden sich über Jahrzehnte auswirken. Werkstoffwahl, Verdichterarchitektur und Validierungsstrategie entscheiden darüber, ob Wasserstoffpipelines effizient skalieren können oder durch vorzeitige Ausfälle und steigende Kosten begrenzt werden. Tests spielen daher eine zentrale Rolle beim Aufbau der Wasserstoffinfrastruktur. Im Vergleich zu Erdgasnetzen fehlt der Branche eine jahrzehntelange Betriebserfahrung – insbesondere bei nichtmetallischen Bauteilen und modernen Verbundwerkstoffen. Die Validierung muss deshalb gezielt und umfassend erfolgen.

Werkstoffprüfprogramme, die häufig in Zusammenarbeit mit Forschungsinstituten und nationalen Laboren durchgeführt werden, sind dabei entscheidend. Werden Materialien unter kontrollierten Bedingungen Hochdruckwasserstoff ausgesetzt, können Ingenieure Permeation, Dekompressionsverhalten und langfristige Alterungsmechanismen untersuchen. Die Ergebnisse unterstützen die Werkstoffauswahl und helfen dabei, zulässige Auslegungsgrenzen festzulegen.

Für Komponentenhersteller ist die Beteiligung an solchen Programmen von großer Bedeutung. Sie liefert empirische Daten als Ergänzung zu Simulationen, reduziert Unsicherheiten für OEM-Partner und beschleunigt den Weg in die praktische Anwendung. Gleichzeitig sind solche Tests ressourcenintensiv. Programme müssen daher gezielt ausgewählt und entlang der gesamten Wertschöpfungskette eng abgestimmt werden.

Für einige Anwendungen kann eine schrittweise Validierung ausreichen, beispielsweise bei einem Werkstoffwechsel in Kolbenverdichtern. In anderen Fällen ist die Validierung deutlich komplexer – insbesondere dann, wenn Radialverdichter grundlegend neu konstruiert werden. Neue Konstruktionen verändern Lastpfade, Auswuchtverhalten und dynamische Eigenschaften und müssen deshalb vor dem Einsatz im Feld umfassend getestet werden.

Wasserstoff-Technologiezentrum: Warum die Branche hinschaut

Mit dem Wasserstoff-Technologiezentrum in Pfeffenhausen entsteht ein neuer Infrastrukturknoten für H₂-basierte Mobilität. Ziel ist es, Wasserstofftechnologien aus der Forschung in industrielle Anwendungen zu überführen.

Ragna Sonderleittner

Zusammenarbeit als Weg nach vorn

Wasserstoffpipelines und Verdichtungssysteme können nicht isoliert entwickelt werden. Der Erfolg hängt von der Zusammenarbeit zwischen Werkstoffspezialisten, Maschinen- und Anlagenherstellern, Betreibern sowie Forschungseinrichtungen ab. Jeder Beteiligte bringt eine andere Perspektive ein – und die Herausforderungen des Wasserstoffs überschreiten die Grenzen einzelner Fachdisziplinen.

Industrieverbände und gemeinsame Forschungsplattformen schaffen Räume, in denen sich diese Akteure abstimmen können. Sie fördern ein gemeinsames Verständnis von Schadensmechanismen, beschleunigen die Standardisierung und verhindern Doppelarbeit. In einem Bereich, in dem Sicherheit und Zuverlässigkeit oberste Priorität haben, ist gemeinsames Lernen unverzichtbar.

Wasserstoff bringt Systeme an ihre Grenzen. Um diese Herausforderung zu bewältigen, braucht es neue Werkstoffe, neue Architekturen und neue Formen der Zusammenarbeit. Die Verdichtung steht im Zentrum dieses Wandels – und moderne Werkstoffe entwickeln sich zu einem der wirkungsvollsten verfügbaren Hebel. Sollen Wasserstoffpipelines bis 2040 und darüber hinaus sicher, effizient und wirtschaftlich betrieben werden, müssen Verdichterarchitektur und Werkstoffauswahl von Anfang an gemeinsam betrachtet werden.

Die heute getroffenen Konstruktionsentscheidungen bestimmen, ob Systeme die für Wasserstoff erforderlichen Umfangsgeschwindigkeiten, Lebensdaueranforderungen und langfristigen Zuverlässigkeitsziele erfüllen können. Eine rein schrittweise Anpassung bestehender Erdgasinfrastruktur wird dafür nicht ausreichen.