Unser Engagement
Gemeinsam Lösungen finden
Entlang der gesamten Wertschöpfungskette beteiligen wir uns aktiv an Verbundprojekten zu sicherer Wasserstoffinfrastruktur, Wasserstoffproduktion und wasserstoffbasierter Stahlherstellung. Wir verfügen über ein weites nationales und internationales Netzwerk mit Industrieunternehmen sowie Forschungseinrichtungen der Fraunhofer-Gesellschaft und der Hochschulen. Darüber hinaus engagieren wir uns in nationalen und europäischen Verbänden, Vereinen und Gremien und gestalten relevante Prüf- und Produktnormung mit.
Forschungsprojekte
Unsere Beteiligung an öffentlich geförderter Forschung
Zur Energiewende sind diverse Forschungsinitiativen mit Fokus auf Wasserstoffanwendungen von den Bundesministerien initiiert und gefördert worden. Neben den industriegeführten Wasserstoff-Leitprojekten des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) haben wir an weiteren Projekten mit verschiedenen Zielsetzungen mitgewirkt.
H2Mare - Offshore-Erzeugung von Grünem Wasserstoff
H2Mare zielte darauf ab, dass Offshore Windparks mit auf Offshore-Plattformen integrierten Elektrolyseuren Grünen Wasserstoff im Industriemaßstab herstellen. Die Kopplung von Windenergieanlage und Elektrolyseur soll die Kosten der Wasserstoffproduktion minimieren. Weitere Vorteile der Wasserstoff-Herstellung im Meer: Ein höheres Windaufkommen und weit größere potenzielle Flächen zur Erzeugung von Windenergie als an Land.
Sichere Auslegung von H2-Röhrenspeichern: für Stahlrohre bestätigt
Im H2Mare-Projekt H2Wind wurde ein Wasser-Elektrolyseur entwickelt, der trotz rauer Bedingungen auf See effizient und quasi-autark arbeitet. Wir betrachteten zusammen mit dem Partner Siemens Energy und mehreren Instituten der Fraunhofer Gesellschaft die Wasserstoffspeicherung in Röhrenspeichern aus Stahlrohren. Ziel war es, effiziente, aber sichere Speicherlösungen für verschiedene Szenarien zu entwickeln und experimentell abzuprüfen.
Speicher sind an mehreren Stellen der Wasserstoffkette sinnvoll oder nötig: Offshore auf einer Plattform nahe der Windtürme, um die Eigenversorgung der Anlagen in Zeiten von Flauten sicher zu stellen, an der Onshore-Anlandestelle an der Küste vor einem Windpark, oder onshore in einem Industriepark. Unterschiedliche Speicherdimensionen wurden im Projekt betrachtet.
Auslegung der H2-Röhrenspeicher
Welche Rohrdimensionen und Rohreigenschaften für die Auslegung der Röhrenspeicher möglich und erforderlich sind, erarbeitete SZMF in H2Wind. Sie sind abhängig von einer Vielzahl an Parametern, allen voran die Druckbelastung des Wasserstoffs (Maximaldrücke, Entleerungsdrücke und -zyklen) und die anvisierte Lebensdauer des Speichers. Nach Evaluation verschiedener Regelwerke erfolgte die Berechnung nach der bruchmechanischen Lebensdaueranalyse nach ASME Regelwerk B31.12, die sich auch für den Leitungsrohrbereich etabliert hat. In dem Konzept spielen auch Effekte wie die Fertigungsqualität der Rohre oder Vorgaben für die Schweißnähte (Rohrlängsnähte, Rohrverbindungsschweißnähte) eine große Rolle.
Versuchsprogramm
Alle Versuchsrohre waren typische Leitungsrohre, H2Ready®-Rohre der Mannesmann Line Pipe GmbH, DN 300 (323,9 x 16 mm), L360NE. Neben mechanischen Prüfungen und Schwingversuchen wurden Rundschweißverfahren für die Wasserstoffeignung ermittelt und in einer Schweißverfahrensprüfung sowie in Bauteilversuchen unter zyklischem Druckwasserstoff verifiziert.
In einer Bauteilversuchsreihe wurden Demonstrator-Röhrenspeicher im Maßstab 1:1 unter zyklischem Druckwasserstoff getestet. Zur Validierung der bruchmechanischen Auslegung wurden Speicherrohre mit künstlich initiierten Oberflächenfehlern an der Rohrinnenwand geprüft. Ebene rissähnliche Kerben wurden an kritischen Positionen in der Rohrinnenwand (Rundschweißnaht und Grundwerkstoff) eingebracht. Unter hoher Beanspruchung (Maximaldrücke in Wasserstoffgas bis 165 bar, Spannungsverhältnis R = 0.1, 3.000 Druckzyklen) zeigten die eingebrachten Kerben kein kritisches Risswachstum. Die grundsätzliche Konservativität der bruchmechanischen Lebensdaueranalyse wurde bestätigt.
H2-Eignung von Innenbeschichtungen
Zwei im Leitungsrohrbereich übliche Flow-Coat Innenbeschichtungen wurden hinsichtlich ihrer Wasserstoffeignung im Labor und im Demonstratorversuch untersucht. Eine Wasserstoff-Barrierewirkung der Beschichtungen konnten nicht nachgewiesen werden. Jedoch sorgte die Oxidschicht, die sich in Stahlrohren in Luftatmosphäre natürlicherweise auf der Oberfläche bildet, für eine deutlich verringerte Wasserstoffaufnahme des Stahls. Die beiden verwendeten Innenbeschichtungen wurden auch in Rohren der Demonstratorspeicher unter zyklischem Innendruck geprüft. Nach dem Belastungsprogramm (Maximaldrücke bis 165 bar, Spannungsverhältnis R = 0.1, 5.200 Druckzyklen) wurden die Beschichtungen auf mögliche Einwirkungen des Druckwasserstoffs hin untersucht (Ablösung, Blasenbildung, Haftung). Die Belastung hatte zu keiner Beeinträchtigung der Beschichtungen oder deren Haftung geführt.
Wasserstoffpermeation
Während der Demonstratorversuche wurden an allen Röhrenspeichern während der gesamten Druckbelastung Wasserstoff-Permeationsmessungen mit elektrochemischen Messzellen und dem kommerziellen Gerät „Hydrosteel 6500“ durchgeführt. An keiner Position wurde Wasserstoffpermeation gemessen.
Abschlussbericht
Die Abschlussberichte sind in der Technischen Informationsbibliothek (TIB) Hannover veröffentlicht. Er steht unter folgendem Link zum Download zur Verfügung:
https://oa.tib.eu/renate/handle/123456789/33774
TransHyDE-Sichere Infrastruktur - Auslegung von Leitungsrohren für die H2-Infrastruktur
Sichere Leitungsrohre für den Wasserstofftransport
Ziel des Projektes „TransHyDE - Sichere Infrastruktur“ war, die Voraussetzungen für eine sichere zukünftige Wasserstoffinfrastruktur zu schaffen. Es wurden Methoden zur Bewertung von Werkstoffen und Bauteilen im Kontakt mit gasförmigem Wasserstoff entwickelt und die Bauteile selbst auf ihre Eignung für einen unfallsicheren und dauerhaften Einsatz in Wasserstoffgas geprüft. Sensorsysteme zur Erkennung von Gasleckagen wurden entwickelt und erprobt.
Innerhalb Projektverbundes lag unsere Arbeit mit dem Fokus auf das Kernstück für den Transport von gasförmigem Wasserstoff, den Leitungsrohren. Zur Bewertung der Wasserstoffeignung von Leitungsrohrwerkstoffen gibt es eine Vielzahl von Prüfmethoden, die entweder definierte Materialkennwerte ermitteln oder vergleichende mechanische Untersuchungen in Wasserstoff erlauben. Diese Prüfmethoden haben gemeinsam, dass eine mechanische oder bruchmechanische Prüfung an Proben in Druckwasserstoffatmosphäre vorgenommen wird. Wir haben die Eignung dieser Prüfmethoden zur Qualifizierung von Wasserstoff-Leitungsrohren in diesem Projekt überprüft.
Die Fragestellungen, die in diesem Projekt bearbeitet wurden, waren: Welche Materialkennwerte müssen ermittelt werden, um die Sicherheit des Leitungsrohrs zu beurteilen? Und wie müssen diese Kennwerte ermittelt werden, so dass die Prüfungen sichere und reproduzierbare Ergebnisse liefern? Werkstoffprüfungen, die unter in-situ-Beladung mit Wasserstoff stattfinden, hängen von vielen Variablen und Störparametern ab wie bspw. von der Anwesenheit von Sauerstoff im Autoklav oder vom Zustand der Probenoberfläche.
Für die Beantwortung dieser Fragen haben wir einige ausgewählte Prüfmethoden im Labor aufgebaut und hinsichtlich ihrer Eignung als Qualifizierungsprüfung bewertet. Alle Untersuchungen wurden entweder unter Wasserstoff-in-situ-Beladung durchgeführt oder, falls eine solche Beladung nicht möglich war, erst beladen und anschließend getestet. In einem Werkstoffscreening mit diesen Prüfmethoden wurden acht verschiedene Leitungsrohrwerkstoffe mit unterschiedlichen Fertigungsrouten sowie vier unterschiedliche im Labor gefertigte Rundschweißnähte bezüglich ihrer Beständigkeit gegenüber wasserstoffspezifischen Schädigungsmechanismen charakterisiert und mögliche Optimierungspotentiale untersucht.
Auslegung der Leitungsrohre
Die Ergebnisse der Studie flossen über die Gremienarbeit kontinuierlich in die für Leitungsrohre relevanten Normungs- und Fachgremien ein. Eine Auslegung der Leitungsrohre wird derzeit hauptsächlich über bruchmechanische Lebensdauerberechnungen vorgenommen. Als relevanter Werkstoffkennwert für die Qualifizierung der Leitungsrohre erwies sich hier insbesondere die Bruchzähigkeit mit dem KJIC-Wert. Aufgrund der unterschiedlichen Möglichkeiten KJIC-Werte zu bestimmen (KJ0,0, KJ0,05 oder KJ0,2), werden auch im Nachgang zu diesem Projekt noch weitere FuE-Tätigkeiten zu den zu ermittelnden Kennwerten und zu möglichen Akzeptanzkriterien betrieben. Auch die Durchführung der Prüfungen selbst ist weiterhin Gegenstand von FuE-Aktivitäten, um auch in unterschiedlichen Prüflaboren sichere und reproduzierbare Kennwerte ermitteln zu können.
Leitungsrohre sicher für den Wasserstofftransport
Alle in diesem Projekt untersuchten Leitungsrohrwerkstoffe haben sich als gut geeignet für Wasserstoffanwendungen erwiesen. Werkstoffe mit bainitischem und mit ferritisch/perlitischem Gefüge zeigten gleichermaßen gutes Bruchverhalten in Wasserstoff. Schädigung in Form von Rissinitiierung trat erst bei sehr hohen Plastifizierungsgraden auf, die im realen Betrieb einer Wasserstoffleitung nicht auftreten. Ein bevorzugtes Gefüge war in diesen Untersuchungen nicht zu erkennen. Auch die in Wasserstoff ermittelte Zähigkeit (KJ0,2) der Werkstoffe lieferte unabhängig von Herstellungsroute und Gefüge gleichermaßen gute Werte im Bereich von zwischen 126 und 143 MPa√m.
Wasserstoffaufnahme im Leitungsrohrbetrieb
Zusätzlich wurden Untersuchungen durchgeführt, in denen bestimmt wurde, wieviel Wasserstoff unter den üblichen Betriebsbedingungen im Leitungsrohrbetrieb in die Werkstoffe eindringt. Hierfür wurden Langzeituntersuchungen durchgeführt, in denen Werkstoffproben für zwei Jahre in Druckwasserstoff ausgelagert wurden, sowie Untersuchungen zur Wasserstoffaufnahme von Proben, die während der Auslagerung einer mechanischen Last unterlagen.
Diese Untersuchungen haben gezeigt, dass die Wasserstoffaufnahme von Leitungsrohrwerkstoffen aus der Druckgasphase sehr gering und weit unterhalb von Wasserstoffgehalten unter Sauergasbedingungen oder nach elektrochemischer Beladung ist. Das Auftreten von Schädigungsmechanismen aus dem Sauergasbereich wie HIC (hydrogen-induced cracking) ist deshalb unter gängigen Betriebsbedingungen beim Transport von Druckwasserstoff nicht zu befürchten. Eine direkte Übertragung von Werkstoff- und Auslegungskonzepten aus dem Sauergasbereich in den Bereich der Druckwasserstoffanwendungen und entsprechende Tendenzen in den Normungsgremien sind daher nicht sinnvoll.
Abschlussbericht
Die Abschlussberichte sind in der Technischen Informationsbibliothek (TIB) Hannover veröffentlicht: Er steht unter folgendem Link zum Download zur Verfügung:
https://oa.tib.eu/renate/handle/123456789/33738
Mehr zu den Wasserstoff-Leitprojekten: Wasserstoff-Leitprojekte: Startseite
HySteelStore - H2-Hochdruckspeichersystem für mobile Brennstoffzellenanwendungen 2025+
Metallisches Wasserstoff-Hochdruckspeichersystem für mobile Brennstoffzellenanwendungen 2025+
Entwicklung von Wasserstoff-Hochdruckspeichern aus hochfesten Präzisionsstahlrohren für Brennstoffzellenfahrzeuge in Zusammenarbeit mit der Robert Bosch GmbH.
Teilvorhaben Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH: Optimierung der Herstellung von Präzisionsstahlrohren für die Verwendung als mobile Wasserstoff-Hochdruckspeicher im Auftrag der Mannesmann Precision Tubes GmbH.
Die wesentliche Herausforderung auf dem Weg zur Anwendung der Wasserstoff-Brennstoffzellen-Technologie im Pkw ist die bisher schwierige Integration des heutigen Tankkonzepts in die Fahrzeugarchitektur. Die aktuell am Markt verfügbaren CFK-Tanks zur gasförmigen Speicherung von Wasserstoff bei 700 bar sind teuer, großvolumig und sperrig. Diese Tanks vom Typ IV sind in zukünftigen BEV (Battery Electric Vehicle) Plattformen nur sehr schwierig und unter hohen Zusatzkosten integrierbar.
Der im Rahmen des Projekts HySteelStore verfolgte innovative Ansatz eines modularen Tanksystems basierend auf einzelnen Speicherkörpern aus nahtlosen Stahlrohren ist für den Einbau in zukünftigen Chassis mit Batteriebaukasten im Unterboden geeignet. Der stahlbasierte Ansatz bietet ein Kostensenkungspotential bei der Tankbehälterherstellung von bis zu 30 % gegenüber kohlefaserbasierten Tanks und darüber hinaus weitere entscheidende Vorteile. So ist der CO2-Eintrag des Stahltanks über die Lebensdauer signifikant geringer als der des CFK-Tanks. Dies wird durch die hohe Recyclingquote von über 80 % und eine vollständige Kreislaufwirtschaft für die beim Stahltank eingesetzten Rohstoffe ermöglicht. Des Weiteren besteht die Möglichkeit auf die aufwändige Vorkühlung des Wasserstoffs an der Tankstelle zu verzichten. Dies vereinfacht die Infrastruktur und senkt die Wasserstoffkosten aufgrund verbesserter Energieeffizienz wesentlich. Das höhere Gewicht des Stahltanksystems steht einer direkten Integration in ein BEV-Chassis nicht im Weg, da das Fahrzeug auf das Batteriegewicht ausgelegt ist, was in etwa dem Gewicht des Brennstoffzellensystems plus Stahltank entspricht.
Ziel des Projekts war der Aufbau eines Minimum Viable Products, das alle wesentlichen Funktionen eines Tanksystems erfüllt und dessen Zuverlässigkeit und Sicherheit gemäß den Anforderungen des Regelwerks ECE R134 nachgewiesen wurde. Ausgehend von qualitativ hochwertigen Präzisionsstahlrohren aus niedrig legiertem Stahl wurden in mehreren Prozessschritten hochfeste Speicherzylinder gefertigt. Aus diesen Speicherzylindern wurde zusammen mit Ventilen, Sensorik und Steuergerät ein modulares Tanksystems aufgebaut. Die Möglichkeit zur Betankung und dosierten Entnahme von Wasserstoff aus dem Tanksystem während des Betriebs wurde durch entsprechende Versuchsreihen auf den Prüfstanden nachgewiesen.
Das Teilvorhaben der Salzgitter Mannesmann Forschung wurde von 09/2020 bis 10/2024 im Rahmen des
Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP) mit insgesamt 170.083 Euro durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV) gefördert. Die Förderrichtlinie wird von der NOW GmbH koordiniert und durch den Projektträger Jülich (PtJ) umgesetzt.
Kurzbericht und eingehende Darstellung zum Vorhaben.
H2WeldEng - Universelle sichere Auslegungskonzepte für Schweißnähte unter Druckwasserstoff
Projektziel von H2WeldEng
Schweißnähte werden für Rohrkomponenten in der H2-Infrastruktur oft als herausforderndes Element betrachtet. Zurzeit fehlen noch Designkriterien und Kenntnisse zu optimierten Schweißparametern. Besonders interessant wird es bei hohen Wasserstoffgasdrücken und zyklischen Belastungen. Das Projekt setzt an die Entwicklung praxistauglicher Konzepte für die Schweißnahtauslegung für unterschiedliche Anwendungen in der Wasserstoffinfrastruktur (Pipings, Kompressoren, Leitungen etc.) an.
H2-Pipelines
Unsere Aufgabe innerhalb des Projekts H2WeldEng ist die Untersuchung von Schweißnähten an Leitungsrohren (Use Case H2-Pipelines). Die Versuchsmatrix umfasst Rohre unterschiedlicher Herstellrouten (HFI-Rohre, SAWL-Rohre, SAWH-Rohre) und Rohrgüten von X60 bis X70. Es werden die Längsnähte/Spiralnähte hinsichtlich ihrer Druckwasserstoffeignung betrachtet, sowie Rundnähte, die systematisch an den Versuchsrohren mit unterschiedlichen Schweißparametern (variierte Nahtvorbereitung, Schweißzusätze, Streckenenergien) hergestellt werden. Die Schweißnähte werden in Materialtests unter Druckwasserstoffatmosphäre geprüft.
Konsortium
Everllence SE (Koordinator), Fraunhofer IWM, Merkle CAE Solutions GmbH, SZMF – Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH, SincoTec Group, EURO-LABOR GmbH, Robert Bosch GmbH, RWE Power AG, GSI Gesellschaft für Schweißtechnik – SLV Duisburg
Wir sind aktiv in Normungsgremien
Unser Ziel: Standardisierung von anforderungsgerechten Prüfungen und Anwendungen in der Wasserstoffwirtschaft
Normung
- ASME EU IWG B31.12 International Working Group Europe
- API SC5 (Subcommittee on Tubular Goods) – Task Group Line Pipe (TGLP): Work Item „Hydrogen Line Pipe Annex for API 5L“
- CEN/TC 234 – EN 1594 − Pipelines for maximum operating pressure over 16 bar – Functional requirements ISO/TC 67/SC 2 Pipeline Transportation Systems
- DIN Normungsroadmap Wasserstofftechnologie
- AMPP SC26 “Carbon capture, Alternative Fuels and Energy Storage”
