Werkstoffeigenschaften für die Speicherung von Kohlenwasserstoffen und anderen Medien wie Luft, Stickstoff, Helium o. a. sind bekannt und wurden erfolgreich über Jahrzehnte hinweg in Untergrundgasspeichern angewendet. Sie sind in Normen und Richtlinien niedergelegt und schaffen die Basis für die Gewährleistung der öffentlichen wie der Bergsicherheit.
Wasserstoff kann jedoch die Eigenschaften der üblicherweise verwendeten Stahlwerkstoffe ändern. Stähle können einer Wasserstoffversprödung unterliegen, die sich in einer Minderung der Werkstoffzähigkeit äußern kann. Daher kommt der Auswahl eines geeigneten Stahlwerkstoffes für den Einsatz in untertägigen Wasserstoffspeichern eine besondere Bedeutung zu. Normen und Regeln für die Auswahl von Werkstoffen bei der Untergrundspeicherung von Wasserstoff existieren derzeit nicht.
Das Fraunhofer IWM untersucht die statischen Belastungsgrenzen der durch die angewandten Schweißverfahren veränderten Gefüge der Kavernenverrohrung. Einzelne Schweißnahtbereiche sind insbesondere durch Härtegefüge- und Grobkornbildung, sowie entstehende Schweißeigenspannungen anfälliger für wasserstoffinduzierte Schädigungen als der Grundwerkstoff.
Ziel des Themenfeldes
Ziel des Teilvorhabens (TV) war es, Aussagen zu den statischen Versagensgrenzen der verschiedenen Schweißnahtbereiche (Schweißgut, Wärmeeinflusszone, Grundwerkstoff) mit experimentellen und notwendigerweise rechnerischen Untersuchungen zu erhalten, da die relevanten Größen in der Schweißnaht nicht oder teilweise nur mit enorm hohem Aufwand experimentell ermittelt werden können. Mittels eines Simulationsmodells konnten aufbauend auf gemessenen Materialkennwerten und Schweißparametern die zu erwartenden Änderungen der statischen Belastungsgrenzen der Schweißnähte im Betrieb der Kavernensteigrohre berechnet werden.
Wesentliche Ergebnisse (Auswahl)
Mit dem Verbundvorhaben H2-UGS wurden geeignete Untersuchungskonzepte zur Korrosionsbeständigkeit von Werkstoffen für den Einsatz in Wasserstoff und unter Sauergasbedingungen entwickelt.
Je nach Betriebsbedingungen können für Sauergasanwendungen geeignete Stähle sogenannte Sauergasgüten, die für den Einsatz in H2S-haltigen Medien ausgelegt sind, auch zur Wasserstoffspeicherung genutzt werden.
Reiner Wasserstoff diffundiert vergleichsweise langsam in Zugspannungsbereiche der Schweißnähte.
Ziel des Teilvorhabens (TV) war es, Aussagen zu den statischen Versagensgrenzen der verschiedenen Schweißnahtbereiche (Schweißgut, Wärmeeinflusszone, Grundwerkstoff) mit experimentellen und notwendigerweise rechnerischen Untersuchungen zu erhalten, da die relevanten Größen in der Schweißnaht nicht oder teilweise nur mit enorm hohem Aufwand experimentell ermittelt werden können. Mittels eines Simulationsmodells konnten aufbauend auf gemessenen Materialkennwerten und Schweißparametern die zu erwartenden Änderungen der statischen Belastungsgrenzen der Schweißnähte im Betrieb der Kavernensteigrohre berechnet werden.
Ausblick
Zum sicheren Einsatz des untersuchten Rohrwerkstoffs müssen die Betriebsbedingungen hinsichtlich des Auftretens und der Konzentration von Schwefelwasserstoff (H2S) aus Umsetzungsvorhaben präzisiert werden.
Die Ergebnisse aus dem Projekt sollten mit Langzeituntersuchungen abgesichert werden. Dabei ist zu prüfen, wie die Werkstoffe sich bei Ermüdungsbelastung verhalten. Für den Einzelfall besteht derzeit nur die Möglichkeit, die gut schweißbaren Stähle auf ihre Sauergasbeständigkeit unter angenommenen Betriebsbedingungen (HIC- und SSC-Tests unter sogenannten Fit-For-Purpose-Prüfbedingungen) zu prüfen.
Zusätzliche mechanische Untersuchungen der Schweißnahtbereiche nach längerer Liegezeit oder längerer Auslagerung in Wasserstoff und/oder Schwefelwasserstoff sind sinnvoll. Insbesondere die Prüfung der Wurzellage in Kontakt mit verschiedenen H2- und H2S‑Gehalten sind zweckmäßig.
Projektbeteiligte
Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH
Ehringer Straße 200
47259 Duisburg
Ansprechpartnerin:
Elke Wanzenberg