Beitrag von Dr. Gouenou Girardin, Technischer Leiter des strategischen Wasserstoffprojekts bei Cetim
© Cetim
Wie der Hydrogen Council hervorhebt, entwickelt sich Wasserstoff vom Versprechen zur industriellen Realität: Die zugesagten Investitionen in sauberen Wasserstoff werden bis 2025 bei über 500 Projekten 110 Milliarden US-Dollar erreichen – ein Anstieg um 35 Milliarden US-Dollar gegenüber 2024 und ein durchschnittliches Wachstum von mehr als 50% im Jahresvergleich seit 2020. Diese Beschleunigung schafft unmittelbare und konkrete Anforderungen für industrielle Hersteller, die sicherstellen müssen, dass sowohl bestehende als auch zukünftige Anlagen in Wasserstoffumgebungen sicher und zuverlässig betrieben werden können.
Von einzelnen Komponenten wie Ventilen und Dichtungen bis hin zu vollwertigen Produktionsanlagen sowie Transport- und Verteilungsinfrastruktur erfordern die Herausforderungen, die sich aus neuen Wasserstoffanwendungen ergeben, ein umfassendes Verständnis des Materialverhaltens, der Konstruktionsmethoden, der Prüfprotokolle und der industriellen Prozesse über einen weiten Temperatur- und Druckbereich hinweg, von flüssigem Wasserstoff (20 K) bis hin zu Hochdruckanwendungen.
Cetim, das französische Technische Zentrum für den Maschinenbau, hat sich durch seine neue integrierte und hochmoderne Plattform für Wasserstoffwerkstoffe, Anlagentechnik und Prüfung im Zentrum dieses Wandels positioniert.
Wasserstoff: eine systemische Herausforderung für den Maschinenbau
Wasserstoff gilt weithin als Schlüsselelement für die Dekarbonisierung, mit Anwendungen in Industrie, Energiespeicherung und Schwerlastverkehr. Sein Einsatz im industriellen Maßstab bringt jedoch komplexe Herausforderungen mit sich. Mechanische Ausrüstung wie Rohre, Kompressoren, Tanks und Ventile bildet das Rückgrat der Wasserstoff-Wertschöpfungskette, von der Produktion bis zur Endnutzung. Darüber hinaus muss die Industrie aufgrund der Entflammbarkeit die Integrität und Dichtheit von Komponenten und Systemen über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg gewährleisten. Die Entwicklung neuer Anwendungsbereiche, wie beispielsweise flüssiger Wasserstoff für den Schwerlastverkehr und die Hochdruckspeicherung, schafft neue Paradigmen für die Maschinenbauindustrie in Bezug auf Materialauswahl, Konstruktion, Fertigung und Überwachung, verbunden mit der Notwendigkeit, mit sich weiterentwickelnden Normen Schritt zu halten.
Ein kontinuierlicher Ansatz: von Materialien bis zu Systemen
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, hat Cetim einen kontinuierlichen Ansatz entwickelt, der die gesamte Wasserstoff-Wertschöpfungskette integriert. Dieses Modell vereint Wissensgenerierung, Technologietransfer, Standardisierung und industrielle Umsetzung in einem einzigen Rahmen.
Dieser Ansatz stützt sich auf fünf zentrale Säulen:
- Material- und Funktionscharakterisierung,
- Entwicklung und Industrialisierung von für Wasserstoffumgebungen geeigneten Anlagen,
- Bewertung der Systemzuverlässigkeit,
- auf Wasserstoffumgebungen zugeschnittene Konstruktion und Simulation,
- Kompetenzentwicklung der gesamten Belegschaft.
HyMEET: eine Plattform zur Beschleunigung der Wasserstoffkompatibilität
Als Kernstück dieser Strategie hat Cetim ein spezielles Programm – HyMEET (Hydrogen Materials and Equipment Engineering and Testing) – sowie eine hochmoderne Plattform in Nantes, Frankreich, entwickelt, die fortschrittliche Testkapazitäten mit multidisziplinärem Fachwissen kombiniert, um die Maschinenbauindustrie zu unterstützen.
Cetim bietet ein umfassendes Leistungsspektrum, das von Forschung und Entwicklung über Tests bis hin zu Beratung und Schulungen reicht und Hersteller in jeder Phase ihrer Projekte unterstützt. Das Zentrum mobilisiert mehr als 100 Experten aus verschiedenen Disziplinen wie Materialwissenschaft, Dichtungstechnologien, Ermüdungsanalyse, Fertigungsprozesse und Reinheitskontrolle.
Die Plattform deckt die gesamte Wasserstoff-Wertschöpfungskette ab und ermöglicht es Unternehmen:
- Materialien und technologische Lösungen auszuwählen, die für anspruchsvolle Wasserstoffumgebungen geeignet sind,
- die Auswirkungen von Wasserstoff auf metallische und nichtmetallische Werkstoffe zu bewerten,
- Komponenten und Systeme unter Betriebsbedingungen zu entwickeln und zu qualifizieren,
- die Leistung bestehender und neuer Komponenten zu verbessern,
- die Einhaltung sich weiterentwickelnder Normen und Vorschriften sicherzustellen.
Prüfung als Eckpfeiler der Wasserstofftauglichkeit
Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal dieser neuen Plattform ist ihre fortschrittliche Prüfinfrastruktur, die speziell darauf ausgelegt ist, reale Wasserstoff-Betriebsbedingungen nachzubilden. Diese Anlagen ermöglichen die Charakterisierung von Werkstoffen und Komponenten unter hohem Druck, extremen Temperaturen und aggressiven chemischen Umgebungen.
Mechanische Prüfsysteme ermöglichen Ermüdungs- und Bruchanalysen in repräsentativen Wasserstoffumgebungen bei Drücken von bis zu mehreren hundert bar und Temperaturen bis hinunter zu 20 K. Autoklaven simulieren Langzeitalterung, während Permeationsprüfstände die Wasserstoffdiffusion durch Metalle, Polymere und Verbundwerkstoffe messen. Darüber hinaus liefert die thermische Desorptionsspektroskopie (TDS) Einblicke in den Wasserstoffgehalt innerhalb von Materialien und hilft Ingenieuren, Risiken der Versprödung zu verstehen und zu mindern.
Diese multiphysikalische, anwendungsübergreifende Plattform ermöglicht die Durchführung sowohl standardisierter als auch maßgeschneiderter Tests in repräsentativen Wasserstoffumgebungen. Sie kann zur Bewertung der Leistung, Zuverlässigkeit, Sicherheit und Haltbarkeit von Komponenten wie Sensoren und Ventilen genutzt werden, wobei spezielle und einzigartige Prüfstände wie ein Tribometer für Wasserstoffumgebungen und Hochdruck-Schnellgasdekompressionsgeräte (RGD) zum Einsatz kommen.
Um die Auswahl und Charakterisierung von Werkstoffen bei sehr niedrigen Temperaturen für Flüssigwasserstoffanwendungen (LH2) zu unterstützen, ist die Plattform mit einem kryogenen thermomechanischen Analysator (TMA), einer 20-K-Ermüdungsprüfmaschine und einem Helium/Wasserstoff-Verflüssiger mit zugehörigen Kryostaten ausgestattet, um die Leistungsfähigkeit von Bauteilen in repräsentativen kryogenen Umgebungen zu bewerten.
Diese experimentellen Möglichkeiten sind unerlässlich, um die Daten zu generieren, die für die Konstruktion zuverlässiger Anlagen und die Validierung der Leistungsfähigkeit über die Zeit erforderlich sind.
Wasserstoff- und Heliumverflüssiger (20 K) |Tribologieprüfung in H2-Umgebung
Von Komponenten zu integrierten Systemen
Die Wasserstoffkompatibilität von Anlagen beschränkt sich nicht nur auf die Materialauswahl. Sie erfordert auch ein Umdenken bei Konstruktionsmethoden, Fertigungsprozessen und der Systemintegration.
Cetim unterstützt die Entwicklung fortschrittlicher Lösungen wie Hochdruck-Verbundstofftanks, die Formgebung von Bipolarplatten sowie Schweißverfahren für wasserstoffspezifische Anwendungen, einschließlich des Verhaltens unter kryogenen Bedingungen. Durch den Einsatz von Technologien wie dem automatisierten Wickeln von thermoplastischen Bändern (HySPIDE TP™) können Hersteller die Produktionsgeschwindigkeit, die strukturelle Integrität und das Gewicht optimieren – allesamt Schlüsselfaktoren für Mobilitätsanwendungen, bei denen Tanks Drücken von bis zu 700 bar standhalten müssen [1].
Über einzelne Komponenten hinaus befasst sich Cetim auch mit Herausforderungen auf Systemebene wie der Dichtungsintegrität, der Sauberkeit der Flüssigkeitskreisläufe und der Interoperabilität der Anlagen, unter anderem durch die Entwicklung einer neuen Generation von Wasserstofftankstellen im Rahmen des europäischen H₂REF-DEMO-Projekts [2]. Diese Aspekte sind entscheidend für die Gewährleistung der allgemeinen Sicherheit und Effizienz von Wasserstoffanlagen in einem breiten Spektrum von Endanwendungen, von Offroad-Anwendungen[3] bis hin zum Luftfahrtsektor[4].
[1] Das THOR-Projekt wird aus europäischen Mitteln im Rahmen der „Clean Hydrogen Partnership“ gemäß der Fördervereinbarung Nr. 826262 kofinanziert
[2] Kofinanziert durch europäische Mittel aus der „Clean Hydrogen Partnership“ im Rahmen der Fördervereinbarung Nr. 101101517
[4] Das HYDEA-Projekt wird aus europäischen Mitteln im Rahmen der „Clean Aviation Partnership“ gemäß der Fördervereinbarung Nr. 101102019 kofinanziert
Standardisierung und industrielle Umsetzung
Mit der zunehmenden Reife des Wasserstoffsektors wird die Standardisierung zu einem entscheidenden Faktor für die großflächige Einführung. Der Maschinenbau spielt eine zentrale Rolle bei der Festlegung von Sicherheitsanforderungen, Prüfprotokollen und Leistungskriterien für Anlagen entlang der gesamten Wertschöpfungskette.
Cetim leistet einen aktiven Beitrag zu diesen Bemühungen, indem es Hersteller dabei unterstützt, sich in komplexen regulatorischen Umfeldern zurechtzufinden, und an der Entwicklung internationaler Standards mitwirkt. Dies trägt dazu bei, dass Innovationen schnell auf den Markt gebracht und in globale Lieferketten integriert werden können, unter anderem durch Lebenszyklusanalysen (LCA).
Auf dem Weg zu einer wasserstofffähigen Industrie
Von der Charakterisierung von Werkstoffen bis zur Validierung komplexer Infrastrukturen erfordert der Weg zur Wasserstoffkompatibilität koordinierte Anstrengungen über Disziplinen und Maßstäbe hinweg. Mit seinem integrierten Ansatz ermöglicht Cetim Herstellern, die Lücke zwischen Forschung und industrieller Realität zu schließen und ebnet so den Weg für sichere, effiziente und wettbewerbsfähige Wasserstofftechnologien.
In diesem Zusammenhang geht es bei der Wasserstoffkompatibilisierung von Industrieanlagen nicht nur darum, Hindernisse zu überwinden, sondern auch darum, das volle Potenzial von Wasserstoff als Eckpfeiler der kohlenstoffarmen Wirtschaft von morgen auszuschöpfen.
Cetim ist Mitglied des Deutschen Wasserstoff-Verbands.
Für weitere Informationen zu Cetim und seinen Lösungen und Dienstleistungen wenden Sie sich bitte an Stephan Preilowski |+491725676738 | stephan.preilowski@cetim-de.com | www.cetim.fr
Dr. Gouenou Girardin
Dr. Gouenou Girardin ist Werkstoffingenieur mit Schwerpunkt Materialwissenschaften, Metallurgie und Wasserstoff-Material-Wechselwirkungen. Nach seinem Ingenieurabschluss am Institut National des Sciences Appliquées, einem Master of Science und seiner Promotion an der École Nationale Supérieure des Mines sammelte er umfassende Industrie- und Forschungserfahrung bei Framatome, Manoir Industry, Kelvion, Cetim und IRT Jules Verne.
Dabei übernahm er verschiedene Leitungsfunktionen in Forschung, Entwicklung, Industrialisierung und Werkstofftechnik. Zu seinen fachlichen Schwerpunkten zählen metallische Werkstoffe, Korrosion, industrielle Fertigungsprozesse sowie additive Fertigung. Zudem war er an mehreren europäischen Forschungsprojekten beteiligt und leitete technische Arbeiten in innovationsnahen Industrieprojekten.
Seit 2022 ist er beim Cetim als technischer Leiter für das strategische Wasserstoffprojekt tätig.