Studie: Gasturbinen sind nicht bereit für die Wasserstoffwirtschaft

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

Wasserstoff als nachhaltige Energielösung weckt große Erwartungen. Damit er tatsächlich emissionsfrei ist, muss er jedoch mithilfe erneuerbarer Energien aus Wasser gewonnen werden.

Derzeit wird der größte Teil des weltweit produzierten Wasserstoffs aus Erdgas hergestellt, einem fossilen Brennstoff. Bei diesem Verfahren gelangen erhebliche Mengen Kohlendioxid in die Atmosphäre.

Wasserstoffwirtschaft braucht mehr als saubere Produktion

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

Wasserstoff ist das kleinste aller Moleküle und damit deutlich kleiner als Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas. Schon bisher war bekannt, dass Wasserstoff Metallrohre und -tanks beeinträchtigen kann, durch die er transportiert wird – selbst bei Umgebungstemperatur. Unternehmen sind diesem Problem bereits beim Transport durch die Vereinigten Staaten begegnet.

So können die winzigen Wasserstoffmoleküle etwa leicht in kleinste Hohlräume und Spalten von Stahlrohren eindringen und die Legierung verspröden lassen.

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

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

Gençer bezog sich 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 in Gasturbinen beschleunigt die Versprödung

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

Mithilfe mechanischer Tests unter hohen Temperaturen und Drücken untersuchte das Team detailliert, was in wasserstoffbetriebenen Gasturbinen geschieht. Diese bestanden aus der in der Industrie üblichen Nickelbasis-Superlegierung (IN718) und wurden auf Temperaturen von bis zu 600 °C erhitzt.

Durch die zusätzliche Wärme verursachte Wasserstoff an den Legierungen doppelt so starke Schäden wie bei Umgebungstemperatur – mit potenziell katastrophalem Versagen als Folge.

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

Das deutet darauf hin, dass die vorhandene Infrastruktur Wasserstoff als Brennstoff nicht bewältigen wird: Erforderlich wären eine umfassende Umgestaltung und völlig neue Legierungen.

Wie Wasserstoff die Legierung schädigte, hing von der Temperatur ab. Die meisten Probleme traten auf dem Weg zu den höheren 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 normalerweise an Grenzflächen und Versetzungen eingefangen“, erklärt Xizhen Dong vom Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien.

„Bei erhöhten Temperaturen wandern Wasserstoffatome zu Kohlenstoffleerstellen in Carbiden, wodurch diese teilweise zerfallen. Außerdem reagieren Wasserstoff- und Kohlenstoffatome miteinander und bilden Methan. Dieses unter hohem Druck stehende Methan erzeugt lokal einen hohen Innendruck, der die Grenzflächen schwächt und Schäden begünstigt.“

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

Die Studie legt allerdings nahe, dass mit Carbiden verstärkte Legierungen für wasserstoffbasierte Technologie ungeeignet sind. Umgekehrt sind bereits verfügbare Legierungen, die einer Wasserstoffversprödung widerstehen können, meist recht weich – was ebenfalls nicht ideal ist.

Neue Legierungen für Wasserstoff und Turbinen erforderlich

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten bereits daran, besser geeignete Materialien für den Transport und die Speicherung von Wasserstoff zu finden.

Einem Forschungsteam gelang ein Fortschritt, indem es Scandium mit einer Aluminium-Magnesium-Legierung mischte: Die Festigkeit des Materials stieg dadurch um 40 Prozent, während sich seine Widerstandsfähigkeit gegen Wasserstoffversprödung fast verfünffachte.

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Für die heißen, rotierenden Teile der Turbine bleibt jedoch noch wesentlich mehr Forschungsarbeit nötig – ebenso wie die Entdeckung neuer Legierungen.

„Diese Ergebnisse können wichtige Anhaltspunkte für die Werkstoffentwicklung auf dem Weg zu wasserstoffbetriebenen Gasturbinen und Flugzeugtriebwerken liefern“, ergänzen die 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. Wenn Ihnen ein Fehler auffällt, teilen Sie ihn uns bitte mit.