Wasserstoff könnte Gasturbinen schneller altern lassen

07.08.2026

Quelle: E & M powernews

Ein Forschungsteam hat untersucht, wie Wasserstoff Turbinenwerkstoffe bei hohen Temperaturen schädigt. Die Ergebnisse könnten die Werkstoffentwicklung für H2-Gasturbinen beeinflussen.

Eine internationale Forschungsgruppe, unter anderem mit dem Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien, hat untersucht, wie sich Wasserstoff auf Turbinenschaufeln aus Nickelbasis-Superlegierungen unter den Betriebsbedingungen von Gasturbinen auswirkt. Die jetzt in Nature Materials veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass Wasserstoff die Versprödung des Werkstoffs bei erhöhten Temperaturen deutlich beschleunigen kann, teilte das Max-Planck-Institut am 6. August mit. Nach Angaben der Forschenden erfolgt die Schädigung mindestens doppelt so schnell wie bei Raumtemperatur. 

Die Arbeit adressiert laut den Forschenden eine zentrale Frage für den Einsatz von Wasserstoff in der Energieerzeugung und der Luftfahrt. Gasturbinen liefern nach Angaben der Autoren rund 22 Prozent des weltweit erzeugten Stroms. Gleichzeitig verursachen sie etwa 15 Prozent der globalen Kohlendioxid-Emissionen. Wasserstoff gilt als möglicher Brennstoff für einen CO2-freien Betrieb. Ob bestehende Werkstoffe den veränderten Belastungen dauerhaft standhalten, war bislang jedoch nur unzureichend untersucht.

Im Mittelpunkt der Untersuchung standen Nickelbasis-Superlegierungen, aus denen Turbinenschaufeln gefertigt werden. Während die Auswirkungen von Wasserstoff auf Metalle bei Raumtemperatur bereits vielfach untersucht wurden, fehlten laut den Wissenschaftlern bislang belastbare Ergebnisse für den Temperaturbereich, in dem Gasturbinen betrieben werden.

Bei bestimmten Temperaturen hohe Schädigung

Nach Angaben der Forschenden unterscheidet sich der Schädigungsmechanismus deutlich von dem bei niedrigen Temperaturen. Bei Raumtemperatur lagert sich Wasserstoff vor allem an Grenzflächen an und fördert dort die Versprödung. Bei erhöhten Temperaturen dringt der Wasserstoff zusätzlich in die Karbide ein. Karbide sind chemische Verbindungen, die die Festigkeit von Nickelbasis-Superlegierungen, Stählen und Verbundwerkstoffen erhöhen. Dort reagiert er mit Kohlenstoff zu Methan. Das entstehende Gas erzeugt einen hohen lokalen Druck an den Grenzflächen zwischen Karbiden und Nickelmatrix und beschleunigt dadurch das Materialversagen.

Die Auswertung ergab, dass die Methanbildung allerdings nur bei etwa 400 Grad Celsius auftritt. Nach Angaben der Autoren begünstigen ausschließlich bei dieser Temperatur die thermodynamischen Bedingungen die Reaktion von Wasserstoff und Kohlenstoff. Oberhalb von 400 Grad Celsius ließ sich dieser Mechanismus nicht nachweisen.

Die Forschenden sehen darin eine besondere Herausforderung für Gasturbinen. Anders als Dampfturbinen durchlaufen sie im Betrieb regelmäßig An- und Abfahrvorgänge und bewegen sich dadurch häufiger durch Temperaturbereiche, in denen wasserstoffbedingte Schädigungen auftreten können. Dadurch könnten Bauteile wiederholt kritischen Bedingungen ausgesetzt werden.

Konsequenzen für die Werkstoffentwicklung

Die Ergebnisse stellen die bisherige Rolle von Karbiden in Nickelbasis-Superlegierungen teilweise infrage. Karbide erhöhen die Festigkeit dieser Werkstoffe und tragen wesentlich zu ihrer mechanischen Belastbarkeit bei. Gleichzeitig können sie unter Wasserstoffatmosphäre bei bestimmten Temperaturen zum Ausgangspunkt der Schädigung werden.

Aus Sicht der Forschenden ergeben sich daraus zwei Entwicklungsrichtungen. Künftige Legierungen könnten auf alternative Festigungsmechanismen setzen oder so angepasst werden, dass ein besseres Verhältnis zwischen Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber wasserstoffbedingter Versprödung entsteht.

Die Autoren leiten daraus auch Anforderungen für die Qualifizierung neuer Werkstoffe ab. Legierungen für wasserstoffbetriebene Gasturbinen sollten unter realistischen Betriebsbedingungen getestet werden. Nur so lasse sich beurteilen, wie sich Temperaturwechsel und Wasserstoffatmosphäre auf Lebensdauer und Betriebssicherheit auswirken.

Die Studie entstand unter Leitung der East China University of Science and Technology, des Max-Planck-Instituts für Nachhaltige Materialien und der Hunan University und wurde in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht.

Autorin: Heidi Roider