Verbundvorhaben: H2Giga_TP_Htm: HTEL-MODULE – Ready for Gigawatt

Abstract

Ziel des Teilvorhabens war es, die Entwicklung großskaliger Module für die Hochtemperaturelektrolyse (HTEL) durch strukturmechanische Simulationen sowie experimentell validierte Materialmodelle zu unterstützen. Die betrachteten Komponenten sind Teil der sogenannten Hotbox, in der während des Betriebs Temperaturen von bis zu etwa 800 °C auftreten. Unter diesen Bedingungen wirken komplexe thermo-mechanische und chemische Beanspruchungen auf die eingesetzten metallischen Werkstoffe. Für eine zuverlässige Auslegung der Bauteile ist daher eine realitätsnahe Beschreibung des Hochtemperaturverhaltens sowie der relevanten Degradationsmechanismen erforderlich. Die Arbeiten knüpfen an bestehende Methoden der experimentellen Werkstoffcharakterisierung sowie der numerischen Simulation mittels Finite-Elemente-Methoden an. Am Institut für Mechanik und Fluiddynamik der TU Bergakademie Freiberg besteht langjährige Erfahrung in der Untersuchung des mechanischen Verhaltens metallischer Werkstoffe unter Hochtemperaturbedingungen sowie in der Entwicklung konstitutiver Materialmodelle. Ein wesentlicher Schwerpunkt liegt dabei auf der Kopplung experimenteller Untersuchungen mit numerischer Modellierung, um Materialparameter zu identifizieren und in simulationsgestützte Auslegungsmethoden zu überführen. Im Kontext der Hochtemperaturelektrolyse reicht jedoch eine rein mechanische Beschreibung des Werkstoffverhaltens nicht aus. Neben klassischen Hochtemperaturmechanismen wie Kriechen und plastischer Verformung spielen auch chemisch induzierte Degradationsprozesse eine wesentliche Rolle. Dazu zählen insbesondere Hochtemperaturoxidation sowie wasserstoffinduzierte Versprödung. Diese Prozesse können die strukturelle Integrität von Bauteilen langfristig beeinflussen und müssen daher in geeigneter Weise in die Materialmodellierung integriert werden. Vor diesem Hintergrund bestand die zentrale Aufgabenstellung des Teilvorhabens darin, experimentelle Daten zum Hochtemperaturverhalten ausgewählter Konstruktionswerkstoffe zu generieren, daraus geeignete Materialmodelle abzuleiten und diese in numerische Simulationswerkzeuge zu integrieren. Ziel war es, die Lebensdauerabschätzung kritischer Komponenten zu verbessern und den werkstoffbezogenen Designprozess zukünftiger HTEL-Module zu unterstützen.