H2Mare-PtX-Wind: Einflüsse von Wasserchemie, Mikrobiologie und Wasserstoff auf die Korrosion von Komponenten für offshore Power-to-X-Anlagen

Projektbeschreibung:

Im Jahr 2020 wurde die nationale Wasserstoffstrategie von der deutschen Bundesregierung verabschiedet. Im Bereich der Energieforschung wurden im Rahmen der Forschungsoffensive „Wasserstofftechnologien 2030“ unter anderem drei Wasserstoff-Leitprojekte als große Impulsgeber für den Einstieg Deutschlands in die grüne Wasserstoffwirtschaft durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung ausgerufen. Im Rahmen des Leitprojektes H₂Mare sollen durch die Projektpartner die Offshore-Produktion von Wasserstoff sowie möglicher Folgeprodukte erforscht werden. Die von Windanlagen auf hoher See produzierte Energie soll ohne Netzanbindung direkt vor Ort für die Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse genutzt werden. Es sind so auch deutlich küstenfernere Flächen für die Energiegewinnung erschließbar, der Beantragungs- und Bauprozess der Netzanbindung entfällt und das Stromverteilnetz wird entlastet. Darüber hinaus soll im Teilprojekt PtX-Wind auch eine Herstellung von Wasserstofffolgeprodukten auf hoher See betrachtet werden. Dabei soll die Herstellung von Basischemikalien wie flüssiges Methan, Methanol, Ammoniak und Fischer-Tropsch-Syntheseprodukte auf einer schwimmenden Plattform untersucht werden. Es wird dabei sowohl eine Gewinnung der Synthesegasbestandteile vor Ort, beispielsweise Kohlendioxid und Stickstoff aus der Luft oder aus dem Meer sowie Wasserstoff mittels Elektrolyse, wie auch eine Anlieferung der Edukte per Schiff analysiert.

Technische Herausforderungen:

Auf technischer Seite gilt es die Herausforderungen der Anpassung der chemischen Produktionsanlagen an die dynamischen Betriebsbedingungen offshore durch geeignete Zwischenspeicher und Optimierung der Prozesse zu meistern, eine den hohen Anforderungen für nachfolgende Elektrolyseprozesse genügende Wasseraufbereitung des Meerwassers dauerhaft sicherzustellen sowie eine wartungsarme, langlebige Anlagenausgestaltung aller Prozesskomponenten zu entwickeln, um einen sicheren Betrieb und ein höchstes Maß an Umweltschutz zu realisieren. Hierzu sollen innerhalb der Projektlaufzeit durch eine schwimmende, auf Pontons errichtete Versuchsplattform in Küstennähe erste Erfahrungen für den Anlagenbetrieb auf dem Meer gewonnen werden. Bei Projektende sollen diese Ergebnisse gemeinsam mit den aus Simulationen über die Erstellung eines digitalen Zwillings gewonnenen Erkenntnisse dafür genutzt werden, ein umfassendes Konzept einer Forschungsplattform zu erarbeiten, welches im Nachgang für die Klärung letzter Fragestellungen von offshore PtX-Prozessen genutzt werden soll.

Forschungsgegenstand:

Die Forschungsschwerpunkte dieses Unterprojektes liegen in der grundlegenden Bewertung der Innenkorrosion von Anlagen und Rohrleitungen auf der PtX-Plattform mit elektrochemischen und spektroskopischen Methoden im Allgemeinen sowie begünstigt durch Diffusion und Permeation von Wasserstoff oder mikrobielles Wachstum. Dabei soll vor allem eine genaue Untersuchung des Risikos der mikrobiologisch beeinflussten Korrosion (MIC) an internen Komponenten (Schaltschränke, Kühlsystem, Abwasserleitungen) in Abhängigkeit von der Bakterienart und den Umweltbedingungen, eine Bewertung des Einflusses von Wasserstoff auf die Korrosionsanfälligkeit von Rohrleitungen und Bauteilen für die verschiedenen PtX-Anlagen sowie eine Analyse des Einflusses von Chloriden auf die Degradation von Elektrodenmaterialien, die für die Meerwasserelektrolyse verwendet werden, durchgeführt werden.

Hierzu sollen mit verschiedenen elektrochemischen Untersuchungsmethoden die Korrosionskinetik, mögliche Einflüsse mikrobiellen Wachstums (Biofilmbildung, mikrobiell beeinflusste Korrosion), die Schutzwirkung und Langlebigkeit von Beschichtungen sowie die Anfälligkeit verwendeter Materialien für wasserstoffinduzierte Korrosion untersucht werden. Durch Permeationsmessungen, Langsamzugversuche und TDA-Analysen sollen die genauen Wechselwirkungen zwischen Werkstoff und Wasserstoff genauer betrachtet werden. Begleitet werden diese Untersuchungen durch eine vertiefte Materialcharakterisierung, innerhalb derer durch verschiedene werkstoffanalytische, metallographische und elektronenmikroskopische Methoden die Oberflächen- und Beschichtungseigenschaften der untersuchten Materialien charakterisiert werden sollen. Zudem sollen entstehende Korrosionsprodukte bestimmt und quantifiziert werden und diese Ergebnisse Projektpartnern für eine Bewertung möglicher Umweltauswirkungen bereitgestellt werden. Die werkstoffseitig ermittelten Ergebnisse sollen in Handlungsempfehlungen für die Materialauswahl für die Anlagen- und Plattformkonstruktion mit einfließen und zudem bei der Ausgestaltung von Normen und Weiterbildungsinhalten Anwendung finden.