Als Global Head of Marketing and Communications bei Triton Hydrogen bin ich fasziniert davon, die komplexen Herausforderungen zu erforschen, mit denen der Wasserstoff-Energiesektor konfrontiert ist, insbesondere diejenigen, mit denen Ingenieure und Unternehmen konfrontiert sind, die Wasserstoff als saubere Energiequelle nutzen wollen.
Obwohl Wasserstoff eine saubere Energiequelle verspricht, gibt es zahlreiche Hindernisse, von Materialproblemen wie Versprödung und Permeation bis hin zu allgemeinen Bedenken hinsichtlich Kosten, Skalierbarkeit und Sicherheit, die sein volles Potenzial behindern. Dieser Artikel beleuchtet diese Herausforderungen und unterstreicht die entscheidende Rolle der Materialwissenschaft bei der Förderung der Wasserstoffwirtschaft. Indem wir diese Hürden ansprechen, unterstreichen wir die Bedeutung von Innovation und Zusammenarbeit bei der Überwindung der Hindernisse für eine nachhaltige Wasserstoffinfrastruktur. Lesen Sie weiter, um die grundlegenden Probleme und den Weg nach vorn im Wasserstoffsektor zu verstehen.
Hier sind einige der Hauptprobleme mit Wasserstoff:
Wasserstoffversprödung (HE)
Wasserstoffatome können in Metalle diffundieren, ihre atomaren Bindungen schwächen und Sprödigkeit, Risse und Versagen verursachen. Dies ist ein großes Problem für Pipelines, Lagertanks und andere Komponenten, die Wasserstoffgas ausgesetzt sind. Ingenieure müssen Materialien entwickeln, die gegen die Versprödung resistent sind, oder Wege finden, ihre Auswirkungen abzuschwächen.
Permeation
Aufgrund seiner geringen Größe können Wasserstoffmoleküle leicht durch viele Materialien hindurchdringen, was zu Leckagen und Sicherheitsrisiken führt. Die Entwicklung von Barrieren, die den Durchgang von Wasserstoff wirksam blockieren und gleichzeitig andere gewünschte Eigenschaften wie Festigkeit und Verformbarkeit beibehalten, ist eine große Herausforderung.
Leistung bei hohen Temperaturen
Für einige Anwendungen wie Brennstoffzellen und Turbinen müssen die Werkstoffe bei hohen Temperaturen und Drücken unter Einwirkung von Wasserstoff zuverlässig funktionieren. Herkömmliche Werkstoffe zersetzen sich unter diesen Bedingungen oft, so dass Ingenieure neue Legierungen oder Verbundwerkstoffe mit überlegener Hochtemperaturstabilität entwickeln müssen.
Kosten und Skalierbarkeit
Eine weit verbreitete Nutzung von Wasserstoff hängt oft von kostengünstigen Materialien ab. Derzeit sind viele vielversprechende Materialien teuer oder schwer in großen Mengen herzustellen. Die Suche nach Alternativen, die erschwinglich und für die Massenproduktion skalierbar sind, ist von entscheidender Bedeutung.
Komplexe Wechselwirkungen in verschiedenen Anwendungen
Wasserstoff kann mit anderen Materialien auf unerwartete Weise interagieren und zu Korrosion, Versprödung oder anderen Problemen führen. Das Verständnis dieser Wechselwirkungen und die Vorhersage ihrer Auswirkungen auf die Materialleistung sind entscheidend für die Auswahl der richtigen Materialien für bestimmte Anwendungen.
Mangel an standardisierten Maßnahmen und Materialien
Der Wasserstoffsektor befindet sich noch in der Entwicklung, und es bedarf einer stärkeren Standardisierung von Materialien und Prüfverfahren. Dies macht es schwierig, verschiedene Materialien zu vergleichen und das beste für einen bestimmten Anwendungsfall auszuwählen. Die Entwicklung von Normen und die Harmonisierung von Prüfverfahren sind für den Fortschritt des Sektors unerlässlich.
Sicherheitserwägungen
Wie bei jeder Energiequelle ist auch beim Umgang mit Wasserstoff die Sicherheit von größter Bedeutung. Materialwissenschaftler müssen Materialien entwickeln, die nicht nur leistungsstark, sondern auch inhärent sicher sind und das Risiko von Lecks, Explosionen und anderen Unfällen minimieren.
Ökobilanz
Um eine wirklich nachhaltige Wasserstoffwirtschaft zu gewährleisten, muss der gesamte Lebenszyklus von Materialien berücksichtigt werden, von der Herstellung über die Verwendung bis hin zur Entsorgung am Ende des Lebenszyklus. Wir müssen Verfahren und Materialien entwickeln, die die Umweltauswirkungen während ihres gesamten Lebenszyklus minimieren.
Materialkompatibilität für verschiedene Lagermethoden
Jede Methode der Wasserstoffspeicherung stellt besondere Anforderungen an das Material:
- Komprimierter Wasserstoff: Die Suche nach leichten Hochdrucktanks, die gegen HE und Wasserstoffpermeation resistent sind, bleibt eine Herausforderung. Verbundwerkstoffe sind vielversprechend, müssen aber weiter entwickelt werden.
- Flüssiger Wasserstoff: Kryogene Temperaturen (-253 °C) stellen eine Herausforderung für die Materialauswahl dar. In der Regel wird Edelstahl verwendet, aber es ist wichtig, sein Langzeitverhalten zu verstehen und Alternativen mit besseren thermischen Eigenschaften zu entwickeln.
- Festkörper-Hydride: Einige Hydride bieten zwar eine hohe Speicherkapazität, leiden aber unter einer langsamen Wasserstoffabsorptions-/Desorptionskinetik und einer möglichen Zersetzung während der Zyklen. Die Suche nach Materialien mit optimaler Reversibilität und Stabilität ist entscheidend.
Kosten und Skalierbarkeit
Die Entwicklung und Umsetzung neuer Speicher- und Pipelinematerialien muss wirtschaftlich machbar sein. Die Steigerung der Produktion vielversprechender Kandidaten bei gleichzeitiger Beibehaltung der Erschwinglichkeit ist entscheidend für eine breite Akzeptanz.
Lecksichere Dichtungen und Beschichtungen
Die Minimierung von Wasserstofflecks während der Lagerung und des Transports ist für die Sicherheit und Effizienz von größter Bedeutung. Die Entwicklung zuverlässiger, langlebiger Dichtungen und Beschichtungen mit minimaler Permeation stellt eine große Herausforderung für die Industrie dar.
Kompatibilität der Infrastruktur
Die Umstellung der bestehenden Erdgasinfrastruktur auf Wasserstoff stellt eine Herausforderung für die Materialanpassung dar. Die Aufrüstung oder der Ersatz von Pipelines und Speicheranlagen erfordert Materialien, die mit beiden Kraftstoffen kompatibel sind.
Resümee
Es ist wichtig zu wissen, dass diese Herausforderungen miteinander verknüpft sind. Fortschritte in einem Bereich wirken sich oft auf andere aus. Die Lösung von HE in Pipelines kann beispielsweise Materialien betreffen, die für Speichermethoden ungeeignet sind. Daher ist ein ganzheitlicher Ansatz erforderlich, der die gesamte Wasserstoff-Wertschöpfungskette berücksichtigt.
Die materialwissenschaftliche Forschung in diesen Bereichen ist in vollem Gange, mit vielversprechenden Fortschritten wie fortschrittlichen Legierungen, Verbundwerkstoffen und innovativen Beschichtungen, wie Tritonex und Tritonorund geben Hoffnung auf die Überwindung dieser Hürden. Die Bewältigung dieser Herausforderungen wird den Weg für eine sichere, effiziente und skalierbare Wasserstoffinfrastruktur ebnen, die für die Ausschöpfung seines Potenzials als sauberer Energieträger unerlässlich ist.
