Studie: Gasturbinen sind nicht bereit für die Wasserstoffwirtschaft

Forschende aus Deutschland, China und Frankreich kommen in einer soeben in Nature Materials veröffentlichten Studie zu dem Ergebnis, dass bestehende Gasturbinen nicht für den Betrieb mit Wasserstoff ausgelegt sind.

Wasserstoff als nachhaltige Energielösung weckt grosse Erwartungen. Tatsächlich emissionsfrei ist er jedoch nur, wenn er mithilfe erneuerbarer Energie aus Wasser gewonnen wird.

Derzeit wird der überwiegende Teil des weltweit verfügbaren Wasserstoffs aus Erdgas hergestellt. Bei diesem fossilen Rohstoff entstehen im Herstellungsprozess grosse Mengen Kohlendioxid, die in die Atmosphäre gelangen.

Wasserstoffwirtschaft: Die Infrastruktur als unterschätztes Problem

Eine weitere, weniger bekannte grosse Hürde für die Wasserstoffwirtschaft liegt in ihrer Infrastruktur.

Wasserstoff ist das kleinste aller Moleküle und damit deutlich kleiner als Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas.

Bereits bekannt war, dass Wasserstoff Metallrohre und -tanks beeinflussen kann, durch die er transportiert wird – sogar bei Umgebungstemperaturen. Unternehmen sind bei seinem Transport durch die Vereinigten Staaten schon auf dieses Problem gestossen.

Die winzigen Wasserstoffmoleküle können beispielsweise leicht in kleinste Zwischenräume von Stahlrohren eindringen und dadurch die Legierung verspröden.

(Jose A. Bernat Bacete/Moment/Getty Images)

„Unterm Strich ist es nicht so einfach, Wasserstoff einfach durch die vorhandene Infrastruktur zu leiten“, sagte der Energiewissenschaftler Emre Gençer vom MIT bereits 2023.

Gençer bezog sich auf die Schwierigkeiten beim Transport und bei der Speicherung von Wasserstoff. Die neue Untersuchung zeigt jedoch, dass dies nicht die einzigen Infrastrukturkomponenten sind, die in einer Wasserstoffwirtschaft ersetzt werden müssten.

Gasturbinen und Wasserstoff: Versprödung bei hohen Temperaturen

Unter den hohen und schwankenden Temperaturen im Inneren einer Gasturbine wird die Fähigkeit von Wasserstoff, die Maschine zu „verspröden“, noch erheblich verstärkt.

Mithilfe mechanischer Tests unter hohen Temperaturen und Drücken untersuchte das Forschungsteam detailliert die Vorgänge in wasserstoffbetriebenen Gasturbinen. Diese bestehen aus der branchenüblichen Nickelbasis-Superlegierung IN718, während die Temperaturen bis auf 600°C (1.112 Fahrenheit) stiegen.

Durch die zusätzliche Hitze richtete Wasserstoff an den Legierungen doppelt so viel Schaden an wie bei Umgebungstemperaturen. Dies könnte zu einem katastrophalen Versagen führen.

Morphologie wasserstoffinduzierter Schäden bei 25°C (a) und 200°C (b). (Kong *et al., Nat. Mater., 2026)*

Das deutet darauf hin, dass die bestehende Infrastruktur Wasserstoff als Brennstoff nicht bewältigen wird: Erforderlich wären ein vollständiger Umbau und vollkommen neue Legierungen.

Wie Wasserstoff die Legierung zersetzte, hing von der Temperatur ab. Die meisten Probleme traten auf dem Weg zu höheren Temperaturen auf, nämlich ab 400°C und unterhalb von 600°C.

Bei 400°C sank die Duktilität der Turbine um bis zu 30 Prozent.

„Wenn Wasserstoff bei Umgebungstemperaturen in eine Nickelbasis-Superlegierung eindringt, wird er gewöhnlich an Grenzflächen und Versetzungen eingefangen“, erklärt Xizhen Dong vom Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien.

„Bei erhöhten Temperaturen wandern Wasserstoffatome zu Kohlenstoffleerstellen innerhalb von Karbiden und verursachen deren teilweise Zersetzung. Darüber hinaus reagieren Wasserstoff- und Kohlenstoffatome miteinander und bilden Methan. Dieses unter hohem Druck stehende Methan erzeugt einen hohen lokalen Innendruck, der die Grenzflächen schwächt und Schäden begünstigt.“

Die Aufgabe der Karbide in einer Legierung besteht darin, Festigkeit zu verleihen. Das ist wichtig, wenn ein Metall Hochdruckgase einschliessen und den Kräften standhalten soll, denen eine Turbine ausgesetzt ist.

Neue Legierungen für wasserstoffbetriebene Turbinen

Karbidgehärtete Legierungen sind laut Studie jedoch nicht für wasserstoffbasierte Technologie geeignet.

Umgekehrt sind bestehende Legierungen, die der Wasserstoffversprödung widerstehen können, meist recht weich – was ebenfalls nicht ideal ist.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten bereits daran, passendere Materialien für Transport und Speicherung von Wasserstoff zu finden.

Einem Forschungsteam gelang dies durch das Beimischen von Scandium zu einer Aluminium-Magnesium-Legierung: Die Festigkeit des Materials erhöhte sich um 40 Prozent, seine Widerstandsfähigkeit gegen Wasserstoffversprödung stieg auf nahezu das Fünffache.

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Bei den heissen, rotierenden Teilen einer Turbine bleibt allerdings wesentlich mehr zu tun – und es müssen neue Legierungen entdeckt werden.

„Diese Ergebnisse könnten wichtige Gesichtspunkte für die Materialentwicklung bei der Suche nach wasserstoffbetriebenen Gasturbinen und Flugzeugtriebwerken liefern“, ergänzen die Herausgeber der Fachzeitschrift.

Die Forschungsarbeit wurde in Nature Materials veröffentlicht.

Dieser Artikel wurde von Fiona MacDonald auf Fakten geprüft und von Fiona MacDonald redigiert. Wir sind stolz auf unseren Prozess, doch auch wir sind nur Menschen. Falls Ihnen ein Fehler auffällt, teilen Sie ihn uns bitte mit.