Gasturbinen sind noch nicht bereit für die Wasserstoffwirtschaft

Forschende aus Deutschland, China und Frankreich haben in einer kürzlich in Nature Materials veröffentlichten Studie festgestellt, dass bestehende Gasturbinen nicht für den Betrieb mit Wasserstoff ausgelegt sind.

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

Derzeit wird der Großteil des weltweit produzierten Wasserstoffs aus Erdgas hergestellt – einem fossilen Brennstoff. Dabei gelangen große Mengen Kohlendioxid in die Atmosphäre.

Die Infrastruktur der Wasserstoffwirtschaft

Eine weitere große, aber weniger bekannte Herausforderung für die Wasserstoffwirtschaft ist ihre Infrastruktur.

Wasserstoff besitzt die kleinsten Moleküle überhaupt und ist deutlich kleiner als Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas.

Dass Wasserstoff metallische Rohre und Tanks beeinflussen kann, durch die er transportiert wird, war bereits bekannt – selbst bei Umgebungstemperatur. Unternehmen sind auf dieses Problem schon beim Transport durch die Vereinigten Staaten gestoßen.

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

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

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

Gençer bezog sich dabei 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.

Wasserstoff schädigt Gasturbinen bei hohen Temperaturen

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

Mithilfe mechanischer Tests bei hoher Temperatur und hohem Druck untersuchte das Forschungsteam detailliert, was in wasserstoffbetriebenen Gasturbinen geschieht. Diese bestehen aus der in der Industrie üblichen Nickelbasis-Superlegierung IN718, während sich die Temperaturen bis auf 600 °C (1.112 °F) erhöhen.

Durch die zusätzliche Hitze verursachte Wasserstoff an den Legierungen doppelt so große Schäden wie bei Umgebungstemperatur – mit möglichem katastrophalem Versagen als Folge.

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

Dies deutet darauf hin, dass die vorhandene Infrastruktur mit Wasserstoff als Brennstoff nicht zurechtkommt: Erforderlich wären eine umfassende Umgestaltung und völlig neue Legierungen.

Wie Wasserstoff die Legierung abbaut, hing von der Temperatur ab. Die meisten Schwierigkeiten traten ausgerechnet auf dem Weg zu den höchsten Temperaturen auf, also zwischen 400 °C und unterhalb von 600 °C.

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

„Wenn Wasserstoff bei Umgebungstemperatur 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 Kohlenstofffehlstellen innerhalb von Karbiden, wodurch diese teilweise zerfallen. Außerdem 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.“

Neue Legierungen für wasserstoffbetriebene Gasturbinen

Karbide sollen einer Legierung Festigkeit verleihen. Das ist wesentlich, wenn ein Metall unter hohem Druck stehende Gase einschließen und den Kräften standhalten muss, denen eine Turbine ausgesetzt ist.

Die Studie legt allerdings nahe, dass durch Karbide verstärkte Legierungen für wasserstoffbasierte Technologie ungeeignet sind.

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

Forschende arbeiten bereits daran, besser geeignete Materialien für den Wasserstofftransport und die Wasserstoffspeicherung zu finden.

Einem Forschungsteam gelang ein Fortschritt, indem es Scandium mit einer Aluminium-Magnesium-Legierung mischte. Dadurch stieg die Festigkeit des Materials um 40 Prozent, während seine Widerstandsfähigkeit gegen Wasserstoffversprödung um nahezu das Fünffache zunahm.

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Bei den heißen, rotierenden Teilen der Turbine bleibt allerdings noch weit mehr Forschungsarbeit zu leisten – und es müssen neue Legierungen entdeckt werden.

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

Die Studie 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, aber auch nur Menschen. Falls Ihnen ein Fehler auffällt, teilen Sie ihn uns bitte mit.