Bearbeiter des Projekts: M.Sc. Elias Gall

Hintergrund des Vorhabens

Die Verbrennung fossiler Energieträger in Verbrennungsmotoren trägt mit zum menschengemachten Klimawandel bei. Um den Verbrennungsmotor, der einen hohen technologischen Reifegrad besitzt, hauptsächlich in Non-Road-Anwendungen weiterhin zu nutzen, kann dieser durch die Verbrennung von sogenanntem „grünen Wasserstoff“ klimaneutral betrieben werden [1]. Die Serienfertigung solcher Wasserstoff-Verbrennungsmotoren ist bereits vor etlichen Jahren z.B. durch die Firma BMW realisiert worden [2]. Allerdings ist die Auslegung dieser Motoren bei einem Betrieb mit Wasserstoff anstelle von Diesel oder Benzin deutlich herausfordern-der und noch nicht etabliert [1]. Wasserstoff kann als sehr kleines Element in die verbauten Materialien und Legierungen eindiffundieren, was zur sogenannten Wasserstoffversprödung führt, die sich oftmals durch ein unvorhergesehen frühes und sprödes Versagen der betroffenen Bauteile bemerkbar macht [3].

Übergeordnetes Ziel des Vorhabens ist, durch Ermüdungsversuche und dem Vergleich zwischen mit Wasserstoff beladenen und unbeladenen Proben, den Einfluss des Wasserstoffs auf die Lebensdauer und die Ermüdungsfestigkeit zu analysieren. Ausgehend davon werden Modelle für die Lebensdauervorhersage unter Wasserstoffeinfluss entwickelt.

Fragestellungen

• Erfüllen derzeitige Serienwerkstoffe die Anforderungen im Wasserstoff-Verbrennungsmotor hinsichtlich der zyklischen Belastbarkeit?
• Unter welchen Bedingungen können standardisierte Prüfmethoden entwickelt werden, um die Ermüdungsfestigkeit metallischer Werkstoffe in wasserstoffhaltiger Umgebung bewerten zu können?
• Inwieweit sind die Auswirkungen der elektrolytischen Beladung mit Wasserstoff und der betriebsnäheren Druckwasserstoffbeladung von metallischen Werkstoffen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf das Material vergleichbar?

Lösungsansatz

• Ermüdungsversuche an wasserstoffbeladenen Proben zur Untersuchung des Einflusses von Wasserstoff auf Lebensdauer und Ermüdungsfestigkeit
• Vergleich der Ergebnisse mit unbeladenen Referenzproben
• Erarbeitung der Vergleichbarkeit der elektrolytischen Beladung und der Druckwasserstoff-Beladung in Bezug auf ihre Wirkung auf das mechanische Verhalten der Werkstoffe
• Untersuchung der Werkstoffschädigung mittels Rasterelektronenmikroskopie an Bruchflächen und metallografischen Schliffen
• Entwicklung von Modellen zur Lebensdauervorhersage unter Wasserstoffeinfluss

Förderung

Dieses Projekt wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE). Das KIT, IAM-WK ist Teil des Konsortiums.

Literaturverzeichnis

[1]         K. Wróbel, J. Wróbel, W. Tokarz, J. Lach, K. Podsadni, und A. Czerwiński, „Hydrogen Internal Combustion Engine Vehicles: A Review“, Energies, Bd. 15, Nr. 23, S. 8937, Nov. 2022, doi: 10.3390/en15238937.

[2]         W. Enke, M. Gruber, L. Hecht, und B. Staar, „Der bivalente V12-Motor des BMW Hydrogen 7“, MTZ - Mot. Z., Bd. 68, Nr. 6, S. 446–453, Juni 2007, doi: 10.1007/BF03227411.

[3]         S. Lynch, „Hydrogen embrittlement phenomena and mechanisms“, Corros. Rev., Bd. 30, Nr. 3–4, S. 105–123, 2012.

[4]         J. Wild, „Einfluss von elektrolytischer Wasserstoffbeladung auf die Umlaufbiegewechselfestigkeit des vergüteten Stahls 100Cr6“, Masterarbeit, Karlsruher Institut für Technologie, Karlsruhe, 2021.