On the risk of hydrogen embrittlement of carbon steels in underground hydrogen storage

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Autoren

Abstract

Im Zuge der Energiewende gewinnt sowohl die unterirdische Speicherung als auch Nutzung von Wasserstoff, vor allem in Europa, zunehmend an Bedeutung. Auch die Öl- und Gasindustrie setzt immer mehr auf erneuerbare Energien und damit auch auf die Verwendung von Wasserstoff. Dennoch ist die Nutzung dieses Elements nicht unproblematisch, da es auch nachteilige Auswirkungen auf Stahl hat, die in Form einer Wasserstoffversprödung auftreten können. Ziel dieser Arbeit ist es, mögliche zukünftige unterirdische Wasserstoffspeicher zu evaluieren. Dazu werden Versuche in Form von speziellen Autoklaventests durchgeführt, um festzustellen, welcher Gehalt an Wasserstoff unter spezifischen Bedingungen vom Kohlenstoffstahl L80 aufgenommen wird und wie sich dies auf das Material auswirkt. Die Prüfbedingungen umfassen verschiedene Kombination aus gasförmigem Wasserstoff, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff bei erhöhtem Druck, denen das Material während einer Versuchsdauer von 30 Tagen bei Temperaturen bis zu 120 °C ausgesetzt wird. In den Autoklaven befinden sich nicht nur Proben zur Messung der Wasserstoffaufnahme durch das Material, sondern auch Zugproben, die konstant mit 90% der vorgegebenen Mindeststreckgrenze belastet werden. Beide sind aus dem gleichen Material, dem Kohlenstoffstahl L80, gefertigt. Keine der konstant belasteten Proben versagte, weder in der Wasserstoffgasatmosphäre noch in den sauren Gasumgebungen, einschließlich Schwefelwasserstoff unter erhöhtem Druck. Jedoch zeigen die Messungen, dass die Proben in der gasförmigen Schwefelwasserstoffatmosphäre mehr Wasserstoff absorbieren als in reiner Wasserstoffgasumgebung. Auch das Vorhandensein eines Elektrolyten (Salzlösung) trägt zu diesem Effekt bei. Höhere Temperaturen haben zudem keinen signifikanten Einfluss auf die Wasserstoffaufnahme des Stahls, so dass die höchsten Wasserstoffabsorptionswerte bei 25 °C in einer gasförmigen Schwefelwasserstoffatmosphäre zusammen mit einem Elektrolyten ermittelt wurden. Die Literaturrecherche ergibt, dass eine Infrastruktur für die unterirdische Speicherung und Nutzung von Wasserstoff möglich ist. Außerdem zeigen die Autoklaventests, dass der Werkstoff L80, trotz verschiedener korrosiver Umgebungen, nicht versagt und eine relativ geringe Wasserstoffabsorption in gasförmigen Wasserstoff bei einem Druck von bis zu 120 bar aufweist. Daher ist der Werkstoff für den Einsatz unter den getesteten Bedingungen und damit für die unterirdische Wasserstoffspeicherung geeignet. Zukünftige Forschungsarbeiten könnten durch weitere Versuche unter den genannten Bedingungen mit anderen Stahlarten durchgeführt werden, die typischerweise im Öl- und Gasgeschäft für die unterirdische Speicherung verschiedener Flüssigkeiten und Gase verwendet werden.

Details

Titel in ÜbersetzungÜber das Risiko der Wasserstoffversprödung von Kohlenstoffstählen bei der unterirdischen Wasserstoffspeicherung
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung8 Apr. 2022
StatusVeröffentlicht - 2022