The Hydrogen Challenge: Requirements for Future Materials
-
R. Fechte-Heinen
,
D. Fuhrländer
Abstract
The use of hydrogen as a climate-friendly energy source is gaining strongly in importance, as it represents the only solution for short- to medium-term decarbonization for some industrial sectors, such as the steel and basic materials industries. Increasing innovation density and scaling of electrolysis is creating a broader range of uses and applications. So-called green hydrogen can be used as a raw material (basic industry), process gas (direct steel reduction), burner gas (heat treatment) or energy carrier (e.g. transport, energy storage).
Depending on the application, hydrogen acts in a cryogenic liquid or gaseous state on the materials with which it comes into contact. This gives rise to various technical requirements that need to be controlled. For the application of hydrogen in large-scale and mass production, appropriate materials and processes will have to be developed that can be used economically and scalably.
Considerable R&D activities will be required in the future, from the processing of the starting materials, their property adjustment by heat treatment and coating, to manufacturing processes and testing. This article highlights the current status for selected areas and discusses future material requirements and development potential.
Kurzfassung
Die Nutzung von Wasserstoff als klimafreundliche Energiequelle gewinnt stark an Bedeutung, da es für einige Industriesektoren, wie z. B. der Stahl- und Grundstoffindustrie, die einzige Lösung einer kurz- bis mittelfristigen Dekarbonisierung darstellt. Durch zunehmende Innovationsdichte und Skalierung der Elektrolyse entsteht ein breiter werdendes Einsatz- und Anwendungsspektrum. So genannter grüner Wasserstoff kann als Rohstoff (Grundstoffindustrie), Prozessgas (Stahl-Direktreduktion), Brennergas (Wärmebehandlung) oder Energieträger (z. B. Verkehr, Energiespeicher) eingesetzt werden.
Je nach Einsatzfall wirkt Wasserstoff in tiefkaltem flüssigen oder gasförmigem Zustand auf die Werkstoffe ein, mit denen er in Kontakt kommt. Hieraus entstehen verschiedene zu beherrschende technische Anforderungen. Für die Anwendung von Wasserstoff in der Großserien- und Massenproduktion werden entsprechende Werkstoffe und Prozesse zu entwickeln sein, die wirtschaftlich und skalierbar eingesetzt werden können.
Vom Prozessieren der Ausgangswerkstoffe, ihrer Eigenschaftseinstellung durch Wärmebehandlung und Beschichtung über Fertigungsverfahren bis zur Prüfung sind zukünftig erhebliche F&E-Aktivitäten erforderlich. Dieser Beitrag beleuchtet für ausgewählte Bereiche den aktuellen Stand und diskutiert zukünftige Werkstoffanforderungen und -entwicklungspotenziale.
* Presented by Prof. Dr.-Ing. habil. Rainer Fechte-Heinen at the HeatTreatingCongress, HK2021, 27.–28. October 2021, online
References
1 Agora Energiewende: Energiesicherheit und Klimaschutz vereinen – Maßnahmen für den Weg aus der fossilen Energiekrise, 2022, open accessSearch in Google Scholar
2 Hosseini, S. E.: Transition away from fossil fuels toward renewables: lessons from Russia-Ukraine crisis. Future Energy 1 (2022) 1, pp. 2–510.55670/fpll.fuen.1.1.8Search in Google Scholar
3 Köhler, J.; Geels, F. W.; Kern, F.; Markard, J.; Onsongo, E.; Wieczorek, A.; Alkemade, F.; Avelino, F.; Bergek, A.; Boons, F. et. al: An agenda for sustainability transitions research: State of the art and future directions. Environ. Innov. Soc. Transitions 31 (2019), pp. 1–32, DOI:10.1016/j.eist.2019.01.00410.1016/j.eist.2019.01.004Search in Google Scholar
4 Schreiber, S.; Zöphel, C.; Möst, D.: Optimal Energy Portfolios in the Electricity Sector: Trade-Offs and Interplay Between Different Flexibility Options. The Future European Energy System: Renewable Energy, Flexibility Options and Technological Progress. D. Möst, S. Schreiber, A. Herbst, M. Jakob, A. Martino, W.-R. Poganietz (eds.), Springer, Cham, 2021, pp. 177–198, DOI:10.1007/978-3-030-60914-6_10, open access10.1007/978-3-030-60914-6_10,Search in Google Scholar
5 Herbst, A.; Schreiber, S.; Poganietz, W.-R.; Martino, A.; Möst, D.: Scenario Storyline in Context of Decarbonization Pathways for a Future European Energy System. The Future European Energy System: Renewable Energy, Flexibility Options and Technological Progress. D. Möst, S. Schreiber, A. Herbst, M. Jakob, A. Martino, W.-R. Poganietz (eds.), Springer, Cham, 2021, pp. 9–25. DOI:10.1007/978-3-030-60914-6_2, open access10.1007/978-3-030-60914-6_2Search in Google Scholar
6 Geels, F. W.: Disruption and low-carbon system transformation: Progress and new challenges in socio-technical transitions research and the Multi-Level Perspective. Energy Res. & Soc. Sci. 37 (2018), pp. 224–231, DOI:10.1016/j.erss.2017.10.01010.1016/j.erss.2017.10.010Search in Google Scholar
7 Olbrich, S.; Bauknecht, D.: The third phase of the energy transition. 2022, https://www.researchgate.net/publication/357932858_The_third_phase_of_the_energy_transition open accessSearch in Google Scholar
8 Bründlinger, T.; König, J. E.; Frank, O.; Gründig, D.; Jugel, C.; Kraft, P.; Krieger, O.; Mischinger, S.; Prein, P.; Seidl, H. et al.: dena-Leitstudie Integrierte Energiewende – Impulse für die Gestaltung des Energiesystems bis 2050: Ergebnisbericht und Handlungsempfehlungen, Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena), Berlin, 2018, open acccessSearch in Google Scholar
9 Robinius, M.; Markewitz, P.; Lopion, P.; Kullmann, F.; Heuser, P.-M.; Syranidis, K.; Cerniauskas, S.; Schöb, T.; Reuß, M.; Ryberg, S. et al.: Wege für die Energiewende – Kosteneffiziente und klimagerechte Tranformationsstrategie für das deutsche Energiesystem bis zum Jahr 2050. Energie & Umwelt 499, Verlag des Forschungszentrums Jülich, Jülich, 2020. – ISBN: 978-3-95806-483-6, open accessSearch in Google Scholar
10 Staiger, R.; Tanțǎu, A.: Analyse von Power to-X-Anwendungen mit grünem Wasserstoff. Geschäftsmodellkonzepte mit grünem Wasserstoff – Wirtschaftliche und ökologische Auswirkungen für H2 als nachhaltiger Energieträger. Sustainable Management, Wertschöpfung und Effizienz, Springer, Wiesbaden, 2020, pp. 197–224, DOI:10.1007/978-3-658-30576-510.1007/978-3-658-30576-5Search in Google Scholar
11 Agora Energiewende; Agora Industry: 12 Insights on Hydrogen, 2021, open accessSearch in Google Scholar
12 Buttler, A.; Spliethoff, H.: Current status of water electrolysis for energy storage, grid balancing and sector coupling via power-to-gas and power-to-liquids: A review. Renew. Sustain. Energy Rev. 82 (2018) 3, pp. 2440–2454, DOI:10.1016/j.rser.2017.09.00310.1016/j.rser.2017.09.003Search in Google Scholar
13 Ueckerdt, F.; Bauer, C.; Dirnaichner, A.; Everall, J.; Sacchi, R.; Luderer, G.: Potential and risks of hydrogen-based e-fuels in climate change mitigation. Nat. Clim. Chang. 11 (2021) 5, pp. 384–393, DOI:10.1038/s41558-021-01032-710.1038/s41558-021-01032-7Search in Google Scholar
14 Hermesmann, M.; Grübel, K.; Scherotzki, L.; Müller, T. E.: Promising pathways: The geographic and energetic potential of power-to-x technologies based on regeneratively obtained hydrogen. Renew. Sustain. Energy Rev. 138 (2021), p. 110644, DOI:10.1016/j.rser.2020.11064410.1016/j.rser.2020.110644Search in Google Scholar
15 Merten, F.; Scholz, A.; Krüger, C.; Heck, S.; Girard, Y.; Mecke, M.; Goerge, M.: Bewertung der Vor-und Nachteile von Wasserstoffimporten im Vergleich zur heimischen Erzeugung. Wuppertal Inst. für Klima, Umwelt, Energ. gGmbH, 2020, open accessSearch in Google Scholar
16 Junne, T.; Wulff, N.; Breyer, C.; Naegler, T.: Critical materials in global low-carbon energy scenarios: The case for neodymium, dysprosium, lithium, and cobalt. Energy 211 (2020), 118532, DOI:10.1016/j.energy.2020.11853210.1016/j.energy.2020.118532Search in Google Scholar
17 Valero, A.; Valero, A.; Calvo, G.; Ortego, A.: Material bottlenecks in the future development of green technologies. Renew. Sustain. Energy Rev. 93 (2018), pp. 178–200, DOI:10.1016/j.rser.2018.05.04110.1016/j.rser.2018.05.041Search in Google Scholar
18 Minke, C.; Suermann, M.; Bensmann, B.; Hanke-Rauschenbach, R.: Is iridium demand a potential bottleneck in the realization of large-scale PEM water electrolysis? Int. J. Hydrogen Energ. 46 (2021) 46, pp. 23581–23590, DOI:10.1016/j.ijhydene. 2021.04.174, open access10.1016/j.ijhydene.2021.04.174Search in Google Scholar
19 Kruse, M.; Wedemeier, J.: Potenzial grüner Wasserstoff: langer Weg der Entwicklung, kurze Zeit bis zur Umsetzung. Wirtschaftsdienst 101 (2021) 1, pp. 26–32, DOI:10.1007/s10273-021-2821-9, open access10.1007/s10273-021-2821-9Search in Google Scholar PubMed PubMed Central
20 Hebling, C.; Ragwitz, M.; Fleiter, T.; Groos, U.; Härle, D.; Held, A.; Jahn, M.; Müller, N.; Pfeifer, T.; Plötz, P. et al.: Eine Wasserstoff-Roadmap für Deutschland. Fraunhofer Inst. für Syst. Innov. ISI; Fraunhofer-Inst. für Solare Energiesyst. ISE, Karlsruhe; Frankfurt, 2019, open accessSearch in Google Scholar
21 Renschler, A.: Technologischer Wandel: Das Nutzfahrzeug der Zukunft. Die Zukunft des Nutzfahrzeugs in Zeiten der Transformation. Springer, Berlin, 2021, pp. 29–51, DOI:10.1007/978-3-662-63927-6_310.1007/978-3-662-63927-6_3Search in Google Scholar
22 Ausfelder, F.; Dura, H. E.: Optionen für ein nachhaltiges Energiesystem mit Power-to-X Technologien. DECHEMA Gesellschaft für Chem. Tech. u. Biotechnol., Frankfurt a. M., 2018, open accessSearch in Google Scholar
23 FFE: Wasserstofftransportoptionen. Presentation, 2022, https://www.ffe.de/wp-content/uploads/2022/02/et_2022_h2transportkosten-1.pdf open accessSearch in Google Scholar
24 Fockenbrock, D.: Deutsche Bahn will 2024 Wasserstoffzug von Siemens testen. Article, 2020, https://www.handelsblatt.com/unternehmen/handel-konsumgueter/emissionsfreie-antriebe-deutsche-bahn-will-2024-wasserstoffzug-von-siemens-testen/26650498.html open accessSearch in Google Scholar
25 Frankfurter Allgemeine Zeitung: Airbus verspricht Wasserstoff-Flugzeug bis 2035. Article, 2022, https://www.faz.net/aktuell/wirtschaft/klima-nachhaltigkeit/airbus-verspricht-wasserstoff-flugzeug-als-kerosin-ersatz-17825842.html open accessSearch in Google Scholar
26 Posdziech, N.: Zur Zukunft des Schwerlastverkehrs gehört Wasserstoff. 2021, https://www.now-gmbh.de/aktuelles/pressemitteilungen/zur-zukunft-des-schwerlastverkehrs-gehoert-wasserstoff/ open accessSearch in Google Scholar
27 Hansen, L.: Der Erste ohne Emissionen: Brennstoffzellen-Zug startet. Article, 2018, https://www.dw.com/de/der-erste-ohne-emissionen-brennstoffzellen-zug-startet/a-45516725 open accessSearch in Google Scholar
28 Laureys, A.; Depraetere, R.; Cauwels, M.; Depover, T.; Hertelé, S.; Verbeken, K.: Use of existing steel pipeline infrastructure for gaseous hydrogen storage and transport: A review of factors affecting hydrogen induced degradation. J. Nat. Gas Sci. Eng. 101 (2022), 104534, DOI:10.1016/j.jngse.2022.10453410.1016/j.jngse.2022.104534Search in Google Scholar
29 Moradi, R.; Groth, K. M.: Hydrogen storage and delivery: Review of the state of the art technologies and risk and reliability analysis. Int. J. Hydrogen Energ., 44 (2019) 23, pp. 12254–12269, DOI:j.ijhydene.2019.03.041j.ijhydene.2019.03.041Search in Google Scholar
30 Brauer, H.; Simm, M.; Wanzenberg, E.; Henel, M.; Huising, O. J.: Energiewende mit Wasserstoffrohren „H2Ready “ und Umstellung existierender Erdgasnetze. PIPELINETECHNIK – Energiewende mit Wasserst. 3R – Rohrleitungskompetenz. 3 (2020), pp. 32–45, open accessSearch in Google Scholar
31 Kirchhoff, T.: Ökosystemdienstleistungen. Handbuch Landschaft. RaumFragen: Stadt – Region – Landschaft. O. Kühne, F. Weber, K. Berr, C. Jenal (eds.), Springer, Wiesbaden, 2019, pp. 807–822, DOI:10.1007/978-3-658-25746-0_6510.1007/978-3-658-25746-0_65Search in Google Scholar
32 Calderoni, P.: Hydrogen permeability of Incoloy 800H, Inconel 617, and Haynes 230 alloys. Technical Report, Idaho National Lab. (INL), Idaho Falls, ID, United States, 2010, DOI:10.2172/98987610.2172/989876Search in Google Scholar
33 Eberle, U.; Mueller, B.; von Helmolt, R.: Fuel cell electric vehicles and hydrogen infrastructure: status 2012. Energy & Environ. Sci. 5 (2012) 10, 8780, DOI:10.1039/C2EE22596D10.1039/C2EE22596DSearch in Google Scholar
34 LeGault, M. R.: Pressure vessel tank types. Compositworld 2012, https://www.compositesworld.com/articles/pressure-vessel-tank-typesSearch in Google Scholar
35 Volkswagen: Battery or fuel cell – that is the question. 2021, https://www.volkswagenag.com/en/news/stories/2020/03/battery-or-fuel-cell--that-is-the-question.htmlSearch in Google Scholar
36 Ehrlich, G. M.: Lithium-Ion Batteries. Handbook of Batteries. D. Linden; T. B. Reddy (eds.), 3. Aufl., McGraw-Hill, 2002. – ISBN: 0-07-135978-8Search in Google Scholar
37 Kurzweil, P.; Dietlmeier, O. K.: 8.2 Wasserstoffspeicherung. Elektrochemische Speicher. 2. Aufl., Springer, Wiesbaden, 2018. – ISBN: 978-3-658-21828-7Search in Google Scholar
38 Muragishi, O.; Inatsu, S.; Uraguchi, R.; Yamashiro, K.; Imai, T.; Ohashi, T.; Shimogaki, T.; Yoshida, T.; Koumoto, T..: Hydrogen Transportation – Development of Liquefied Hydrogen Carrier. Kawasaki Technical Review No.182, 2021, pp. 35–40 , open accessSearch in Google Scholar
39 HySTRA: CO₂-free Hydrogen Energy Supply-chain Technology Research Association. 2023, https://www.hystra.or.jp/en/ open accessSearch in Google Scholar
40 SAG: SAG entwickelt erstes LH2-Kryotanksystem für LKW. 2021, https://www.sag.at/salzburger-aluminium-group-entwickelt-erstes-fluessigwasserstoff-kryotanksystem-fuer-lkw/ open accessSearch in Google Scholar
41 Züttel, A.: Materials for Hydrogen Storage. Materials Today 6 (2003) 9, pp. 24–33, DOI:10.1016/S1369-7021(03)00922-210.1016/S1369-7021(03)00922-2Search in Google Scholar
42 Nagumo, M.: Fundamentals of Hydrogen Embrittlement. Springer, Singapore, 2016, DOI:10.1007/978-981-10-0161-110.1007/978-981-10-0161-1Search in Google Scholar
43 Hagen, A. B.; Alvaro, A.: Hydrogen Influence on Mechanical Properties in Pipeline Steel – state of the art. SINTEF Industry, Materials Integrity and Welding 2020, Research report, https://hdl.handle.net/11250/2690051 open accessSearch in Google Scholar
44 Khare, A.; Vishwakarma, M.; Parashar, V.: A Review on Failures of Industrial Components due to Hydrogen Embrittlement & Techniques for Damage Prevention. International Journal of Applied Engineering Research 12 (2017) 8, pp. 1784–1792 , open accessSearch in Google Scholar
45 Matsunaga, H.; Takakuwa, O.; Yamabe, J.; Matsuoka, S.: Hydrogen-enhanced fatigue crack growth in steels and its frequency dependence. Phil. Trans. R. Soc. A. 375 (2017) 2098, 20160412, DOI:10.1098/rsta.2016.041210.1098/rsta.2016.0412Search in Google Scholar PubMed PubMed Central
46 NASA: Safety standard for hydrogen and hydrogen Systems. Washington, DC, 1997Search in Google Scholar
47 Fukuyama, S.; Sun, D.; Yokogawa, K.: Effect of Temperature on Hydrogen Environment Embrittlement of Type 316 Series Austenitic Stainless Seels at Low Temperatures. J. Jpn. I. Met. 67 (2003) 9, pp. 456–45910.2320/jinstmet1952.67.9_456Search in Google Scholar
48 Neuharth, J. J.; Cavalli, M. N.: Investigation of high-temperature hydrogen embrittlement of sensitized austenitic stainless steels. Eng. Failure Analysis 49 (2015), pp. 49–56, DOI:10.1016/j.engfailanal.2014.11.02310.1016/j.engfailanal.2014.11.023Search in Google Scholar
49 Caskey Jr., G. R.: Hydrogen effects in stainless steel. Technical Report, Du Pont de Nemours (EI) and Co., Aiken, SC (USA). Savannah River Lab., 1983Search in Google Scholar
50 Schaffer, T; Hartmaier, A; Kokotin, V; Pohl, M.: Analysis of hydrogen diffusion and trapping in ultra-high strength steel grades. J. Alloys Comp. 746 (2018), pp. 557–566, DOI:10.1016/j.jallcom.2018.02.26410.1016/j.jallcom.2018.02.264Search in Google Scholar
51 Fassina, P.; Brunella, M. F.; Lazzari, L.; Re, G.; Vergani, L.; Sciuccati, A.: Effect of hydrogen and low temperature on fatigue crack growth of pipeline steels. Eng. Fract. Mechan. 103 (2013), pp. 10–25, DOI:10.1016/j.engfracmech.2012.09.02310.1016/j.engfracmech.2012.09.023Search in Google Scholar
52 Barthélémy, H.: Hydrogen storage–Industrial prospectives. International journal of hydrogen energy 37 (2012) 22, pp. 17364–17372, DOI:10.1016/j.ijhydene. 2012.04.12110.1016/j.ijhydene.2012.04.121Search in Google Scholar
53 EIGA: Hydrogen pipeline systems. IGC Doc 121/14, European Industrial Gases Association (EIGA), 2014, open accessSearch in Google Scholar
54 Weißbach, W. (ed.): Stähle. Werkstoffkunde. Vieweg + Teubner Verlag, Berlin, 2012, pp. 88–123, open access10.1007/978-3-8348-8318-6_4Search in Google Scholar
55 Zhao, M. C.; Li, J. L.; Zeng, T. Y.; Xiaofang, H.; Zhao, Y. C.; Atrens, A.: The ductile to brittle transition for C–Mn steel with an ultrafine grain ferrite/cementite microstructure. Mater. Sci. Eng. A 528 (2011) 24, pp. 7228–723710.1016/j.msea.2011.06.005Search in Google Scholar
© 2023 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston, Germany
Articles in the same Issue
- Contents
- Investigations on Case Hardening of an Additive Manufactured Steel 20MnCr5 (via PBF-LB/M)
- Continuous Cooling Transformation Diagram of Case Hardening Steel by Instrumented Jominy Test
- Investigations on the Effect of Cooling Rate on Quenching & Partitioning (Q&P) in Martensitic Stainless Steels
- The Hydrogen Challenge: Requirements for Future Materials
- Imprint / Impressum
- Imprint / Impressum
- From and for Practice / Praxis-Informationen
- AWT-Info / HTM 04-2023
- HTM Praxis
Articles in the same Issue
- Contents
- Investigations on Case Hardening of an Additive Manufactured Steel 20MnCr5 (via PBF-LB/M)
- Continuous Cooling Transformation Diagram of Case Hardening Steel by Instrumented Jominy Test
- Investigations on the Effect of Cooling Rate on Quenching & Partitioning (Q&P) in Martensitic Stainless Steels
- The Hydrogen Challenge: Requirements for Future Materials
- Imprint / Impressum
- Imprint / Impressum
- From and for Practice / Praxis-Informationen
- AWT-Info / HTM 04-2023
- HTM Praxis
