Die Entwicklung und Fertigung von Komponenten für moderne Wasserstoffsysteme ist eine zentrale Herausforderung bei der notwendigen Dekarbonisierung industrieller Prozesse und des Verkehrssektors. Sowohl mobile Anwendungen, etwa in Brennstoffzellenfahrzeugen oder Wasserstoffmotoren, als auch stationäre Systeme wie Speicher- und Verteilereinheiten in der Wasserstoffinfrastruktur, stellen hohe Anforderungen an die mechanische Festigkeit und Sicherheit der eingesetzten Werkstoffe. Vor allem die Wechselwirkungen von Wasserstoff mit metallischen Strukturen sowie die extremen Betriebsbedingungen in Hochdruckumgebungen unterstreichen die Notwendigkeit einer Auswahl geeigneter Materialien.

Die Poppe + Potthoff GmbH (Poppe + Potthoff) ist ein deutsches Familienunternehmen mit langjähriger Erfahrung in der Hochdrucktechnik und im Fluidmanagement. Das Unternehmen hat mit dem Werkstoff PPH2 eine Antwort auf diese Anforderungen entwickelt. Der speziell für den Einsatz in Wasserstoffanwendungen konzipierte Spezialstahl bietet gute mechanische Eigenschaften und erfüllt zugleich internationale Normen für Wasserstoffsicherheit.

Spezifische Materialanforderungen in der Wasserstofftechnik

In Wasserstoffsystemen kommen Komponenten zum Einsatz, die mechanisch hoch belastbar und gleichzeitig beständig gegen Wasserstoffversprödung sein müssen. Der Diffusionsprozess von Wasserstoffatomen in metallische Werkstoffe kann zu Rissbildungen, Korrosionen und damit zu Sicherheitsrisiken führen. Durch das Eindringen von Wasserstoffatomen kann die Mikrostruktur von hochfesten Stählen destabilisiert werden. Es ist möglich, dass dadurch  die Lebensdauer von Bauteilen deutlich verkürzt wird. Neben der mechanischen Festigkeit spielt auch die Dichtheit der Werkstoffe eine wichtige Rolle: Wasserstoff kann durch feinste Poren in die Materialien eindiffundieren. Aus diesen Gründen werden hohe Anforderungen an die Eignung und Qualität der eingesetzten Werkstoffe gestellt. Zudem müssen die Materialien prozesssicher umformbar und schweißbar sein. Das ist darin begründet, dass Wasserstoffsysteme meist enge Bauräume aufweisen.

Herkömmliche austenitische Edelstähle bieten zwar eine gute Korrosionsbeständigkeit, sind jedoch hinsichtlich Festigkeit und Gewicht nicht optimal. Ihre vergleichsweise geringe mechanische Festigkeit erfordert den Einsatz größerer Wandstärken, um Betriebsdrücke von bis zu 700 bar sicher darzustellen. Dies erhöht das notwendige Bauteilgewicht und verkompliziert die Montage. Zudem führt es zu Nachteilen hinsichtlich der Systemeffizienz, insbesondere in mobilen Anwendungen wie Nutzfahrzeugen. Auch aus Nachhaltigkeitsperspektive ist der hohe Materialeinsatz problematisch, da er die CO2-Bilanz verschlechtert und die Ressourceneffizienz beeinträchtigt.

Materialentwicklung auf Basis langjähriger Erfahrung

Pipe für Wasserstoffanwendungen (© Poppe + Potthoff)

Vor diesem Hintergrund entwickelte Poppe + Potthoff mit dem Werkstoff PPH2 einen Spezialstahl, der den spezifischen Anforderungen der Wasserstofftechnik gerecht wird. Das Unternehmen greift dabei auf seine umfassende Erfahrung in der Verarbeitung kaltgezogener Präzisionsrohre und in der Hochdrucktechnik zurück. PPH2 ist ein speziell legierter Stahl auf Kohlenstoffbasis, der durch gezielte thermische Behandlung eine hohe Festigkeit sowie gute Umformeigenschaften erhält. Durch die optimierten mechanischen Eigenschaften können Komponenten mit reduzierter Wandstärke gefertigt werden – was Gewicht und CO2-Emissionen über den Fertigungsprozess senkt.

PPH2 bietet eine Kombination aus hoher Festigkeit und Duktilität, und ist dadurch insbesondere für Druckleitungen und Verteilerleisten (Manifolds) in Wasserstoffsystemen geeignet. Dank seiner feinkörnigen Struktur, die durch eine präzise abgestimmte Glühbehandlung erzielt wird, zeigt der Werkstoff gute mechanische Eigenschaften. In industriellen Fertigungslinien lässt sich PPH2 mit standardisierten Prozessen bearbeiten. Gleichzeitig ist der Werkstoff unter Einhaltung etablierter Richtlinien schweißbar. Zum Schutz vor äußerer Korrosion wird eine Zink-Nickel-Beschichtung aufgebracht, die den Stahl wirksam vor Umwelteinflüssen schützt.

Erfüllung internationaler Normen und Prüfkriterien

PPH2 erfüllt die Anforderungen internationaler Standards und wurde umfangreichen Prüfungen unterzogen. Bereits 2021 wurde der Werkstoff nach DIN EN ISO 11114 vom TÜV Saarland/TÜV Rheinland zertifiziert und für den Einsatz in Wasserstoffanwendungen gemäß EU-Verordnung (EG) Nr. 79/2009 zugelassen. Außerdem bestand PPH2 auch die Materialverträglichkeitsprüfung nach ANSI/CSA CHMC 1-2014. In Zusammenarbeit mit der TÜV SÜD Chemie Service GmbH konnte Poppe + Potthoff darüber hinaus eine neu entwickelte Prüfmethodik anwenden, die die Eignung des Werkstoffs in Wasserstoffanwendungen erneut bestätigte. In seiner Zusammensetzung erfüllt PPH2 des Weiteren die Anforderungen der European Industrial Gases Association (EIGA) an Rohre und Transportbehälter für den Transport von Wasserstoff.

Anwendungsbereiche und Systemintegration

Rohr für Wasserstoffanwendungen (© Poppe + Potthoff)

Poppe + Potthoff produziert aus PPH2 individuelle Bauteile wie Leitungen und Verteilerleisten (Manifolds, oder Parallel Charging Units) für Wasserstoffanwendungen mit Betriebsdrücken bis zu 700 bar. Dabei kommen Kugel-Konus-Verbindungen nach ISO 2974 zum Einsatz, die ein hohes Maß an Dichtheit und Montagefreundlichkeit bieten. Diese Schnittstellen gleichen Winkelabweichungen bis zu 3° aus und erlauben wiederholte Montagezyklen ohne Beeinträchtigung der Dichtigkeit.

Ein zentrales Anwendungsfeld von PPH2 ist das Wasserstoffversorgungssystem TOPAQ, das Poppe + Potthoff als modulare Systemlösung für mobile und stationäre Wasserstoffanwendungen entwickelt hat. Dieses System vereint sicherheitsrelevante, medienführende Komponenten zwischen Tank und Brennstoffzelle oder Wasserstoffmotor (wie beispielsweise On Tank Valves, Thermal Pressure Relief Devices, High Pressure Regulation Units, Leitungen und Verteilerleisten). Durch seine Modularität erlaubt TOPAQ anwendungsoptimierte Systemarchitekturen für den Einsatz in verschiedenen Applikationen. Ein besonderer Fokus liegt auf der Minimierung von Druckverlusten sowie der Optimierung von Strömungsprofilen zur Gewährleistung eines stabilen Wasserstoffflusses innerhalb der Anwendung.

Fazit

Mit dem Werkstoff PPH2 hat Poppe + Potthoff eine praxisnahe Lösung für die besonderen Anforderungen in Wasserstoffanwendungen entwickelt. Der speziell legierte Stahl vereint mechanische Festigkeit, Wasserstoffbeständigkeit und gute Verarbeitbarkeit – Eigenschaften, die für den Einsatz in Hochdruck-Wasserstoffsystemen unerlässlich sind. Dabei ermöglicht er nicht nur eine Reduktion von Bauteilgewicht und Materialeinsatz, sondern unterstützt auch die Einhaltung internationaler Sicherheitsnormen. PPH2 erfüllt die Anforderungen moderner Wasserstoffanwendungen und bietet zugleich Potenziale für leichtere, kompaktere und nachhaltigere Systemlösungen. Besonders im Zusammenspiel mit anwendungsoptimierten Systemarchitekturen, wie sie durch das modulare Wasserstoffversorgungssystem TOPAQ ermöglicht werden, lassen sich Effizienz und Sicherheit von Wasserstoffanwendungen verbessern.