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HyToPi

Rissinitiierungs- und ausbreitungseigenschaften von Pipelinestählen für den Transport wasserstoffhaltiger Gemische.
  • Experimentelle und numerische Untersuchung des Temperatureinflusses sowie des Konzentrationseinflusses von Wasserstoff auf die Festigkeitseigenschaften und Versagenskriterien von Rohrleitungsstählen
  • Berücksichtigung der Auswirkungen des Rohrherstellungsprozesses auf die Materialeigenschaften von Rohrleitungsstählen
  • Implementierung einer nicht-lokalen Formulierung des Materialmodells
  • Numerische Untersuchung des Dekompressionsverhaltens von Wasserstoffgemischen sowie die daraus resultierenden Auswirkungen auf das Rissausbreitungsverhalten in Pipelines

Die Begrenzung des Klimawandels Ist eine der drängendsten Herausforderungen der nahen Zukunft. Dazu haben sich unter anderem die Europäische Union ehrgeizige Pläne gesteckt, die anthropogenen CO2-Emissionen signifikant zu reduzieren. Für den Energie- und Verkehrssektor rückt dazu Wasserstoff, um die bisherigen fossilen Energieträger abzulösen, zunehmend in den Blickpunkt. Diesbezüglich hat der Ukraine-Krieg noch zu einer starken Beschleunigung dieser Entwicklung geführt. Neben dem Aufbau einer klimafreundlichen Produktion von ausreichend Wasserstoff existiert derzeit noch die Problematik des Transportes dieser Wasserstoffmengen. Hierzu könnten die bei der Abkehr von fossilen Energieträgern entstehenden Transportkapazitäten der bestehenden Pipelineinfrastruktur bzw. eine Erweiterung dieser Abhilfe schaffen. Inwiefern diese Optionen praktikabel sind, muss deshalb dringend geklärt werden. Dieses Projekt befasst sich daher mit der Fragestellung nach der Bauteilintegrität von Pipelines bei der Förderung von Wasserstoff und wasserstoffhaltiger Gemische.

Dazu sind umfangreiche experimentelle Arbeiten an wasserstoffbeladenen Laborproben geplant, um den Einfluss von atomarem Wasserstoff auf die mechanischen Eigenschaften eines Pipelinestahls auf phänomenologischer Ebene zu untersuchen. Weiterhin werden Laborversuche in der Tieflage durchgeführt um den Temperatureinfluss auf den Versagensmechanismus – Gleit- oder Spaltbruch zu quantifizieren. Die experimentellen Erkenntnisse sollen anschließend in einen schädigungsmechanischen Modellierungsansatz überführt werden, welcher in einer nicht-lokalen Formulierung implementiert werden soll. Mithilfe fluiddynamischer Simulationen auf Basis experimenteller Daten erfolgen Untersuchungen zum Dekompressionsverhaltens von wasserstoffhaltigen Gemischen und dienen zugleich zur Verifikation des Fluidmodells. Zusätzlich wird der Ansatz um den bisweilen vernachlässigten Einfluss der Rohrherstellung erweitert, da darin die Rohrmaterialeigenschaften verglichen mit dem Grobblech erheblich verändert werden. Die erweiterte Modellierung soll schließlich zur Vorhersage des Rohrverhaltens beim Transport von Wasserstoff in Fluid-Struktur-Interaktions Simulationen Anwendung finden. In einer umfassenden Parameterstudie, welche alle bei der Rissausbreitung interagierenden physikalischen Komponenten berücksichtigt, sollen kritische Betriebsbedingungen abgeleitet werden. Weiterhin dienen die generierten Daten als Basis für die Entwicklung eines künstlichen neuronalen Netzes, welches in einen nichtparametrischen Surrogat-Modellierungsansatz überführt werden soll. Mithilfe dieses Modells soll eine schnelle und zuverlässige Sicherheitsbewertung von bestehenden und zukünftigen Rohrleitungssystemen für Wasserstoffgemische ermöglicht werden.

Förderung

Das IGF-Vorhaben „Rissinitiierungs- und ausbreitungseigenschaften von Pipelinestählen für den Transport wasserstoffhaltiger Gemische“, IGF-Projekt Nr. 22178 N, der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA), Sohnstraße 65, 40237 Düsseldorf wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Laufzeit: 01.04.2022 – 30.09.2024

Fördervolumen: 249.000 €

Ansprechpartner

Der Fachbereich Werkstoffsimulation des TC Neustadt/Donau setzt im Rahmen des ICME auf Forschung an der Schnittstelle von Werkstoffen und Bauteilen.