4,27%Werkstoffe für die Wasserstoffwende by Aperam Innovation Lab
Der Wettbewerb der Elektrolyseverfahren ist in vollem Gange – und für alle hat Aperam die richtigen Werkstoffe. Unter einem Dach finden sich dort nichtrostender Stahl, Nickel- und andere Legierungen, Präzisionsband-Fertigung und ineinander verzahnte Forschungseinrichtungen. Die Verbindung zur industriellen Serienfertigung schafft eine flächendeckende konzerneigene Servicecenter-Infrastruktur.
Wasserstoff ist viel mehr als nur ein Energieträger, er ist ein Hoffnungsträger. Wie schnell es gelingt, unsere Industriegesellschaft zu dekarbonisieren und gleichzeitig wettbewerbsfähig zu halten, hängt davon ab, ob Wasserstoff in den erforderlichen Mengen, zu akzeptablen Kosten und mit der gebotenen Versorgungssicherheit beschaffen können. Die Verfahren sind bekannt, einige bereits industriell bewährt. Aber die Entwicklungsgeschwindigkeit ist weiterhin hoch.
Welche Verfahren sich wo durchsetzen werden, ist auch eine Frage der eingesetzten Werkstoffe. Die müssen hochgradig korrosionsbeständig sein, elektrisch leitfähig und mechanisch beanspruchbar. Dieses Anforderungsprofil läuft auf nichtrostende Stähle und hochlegierte Metallwerkstoffe hinaus. Aperam bietet beides. Gute Gründe für das Unternehmen, die Energiewende zur strategischen Priorität zu erheben.
Navigationshilfe
Dazu hat Aperam mit einem sogenannten Innovation Lab seine Forschungskompetenzen und -kapazitäten am Edelstahl-Standort Isbergues mit denen der Legierungsproduktion in Imphy verschränkt. Und auch produktionstechnisch gibt es Synergien, etwa in der Herstellung von Präzisionsband oder Bandmaterial, dessen Oberfläche für den späteren Auftrag zusätzlicher metallischer Deckschichten optimiert ist.
Die Karte der technologischen Entwicklungen ist komplex. Um bewegter See die richtige Route einzuschlagen, hat Aperam einen Navigator berufen: Dr. Adolfo Kalergis Do Nascimento Viana. In seiner Funktion als Head of Market Innovation and Business Development – CCUS, New Energies & Hydrogen lotet er aus, wo bestehende Aperam- und Imphy-Produkte sicher passen.
Wichtiger noch: Mit Blick auf die Zukunft schätzt er ab, wo neue Werkstoffentwicklungen aussichtsreich sind und welche industriellen Partner für gemeinsame Wertschöpfungen in Frage kommen. Dabei mobilisiert er die Synergien zwischen den Geschäftsbereichen nichtrostender Stahl, Legierungen und Service Center.
Einen wichtigen Verbündeten im deutschsprachigen Markt hat Adolfo Kalergis in Ralf Behle, Senior Business Development Manager für Imphy-Legierungen. Behle weiß aus seiner Praxis zu berichten: „Bei Elektrolyseuren haben wir mit einem Kontinuum von Werkstoffanforderungen zu tun. Es reicht von ferritischen Grundsorten nichtrostender Stähle bis hin zu reinen Nickel und Titan. Genauso nahtlos ist dieses Kontinuum auch der Austausch von Erkenntnissen und Erfahrungen zwischen den beiden Aperam-Geschäftsbereichen.“
Allzeit bereit
Mehrere Verfahren der Wasserstofferzeugung stehen zur Verfügung: alkalische Elektrolyse (AEL), Proton-Austausch-Membranen (PEM), Anion-Austausch-Membranen (AEM) sowie Festoxid-Elektrolysezellen (SOEC). Danach gefragt, welche Technologie für die erfolgversprechendste halte, meint Kalergis: „Der Wind bläst mal aus der einen, mal aus der anderen Richtung. Aperam stellt sich technologieoffen auf und hat für jede Technik eine Werkstoffpalette parat.“
Gegenwärtig ist AEL das ausgereifteste und daher auch das dominierende Verfahren. In Zukunft könnte aber PEM die Führungsrolle übernehmen. Derzeit haben AEL und PEM gemeinsam einen Marktanteil von rund 90 %.
AEL (links) und PEM (rechts) sind derzeit die wichtigsten Techniken.
Das Prinzip der alkalischen Elektrolyse dürfte vielen noch als Schulexperiment in Erinnerung sein. Wasser wird durch Zusatz einer Säure oder Lauge leitfähig gemacht. Taucht man dann zwei Elektroden ein und legt Gleichstrom an, perlen am Pluspol Sauerstoff und am Minuspol Wasserstoffbläschen nach oben.
In der großtechnischen Anwendung funktioniert das mit starken Laugen bei Betriebstemperaturen von 60 bis 90 °C. Für diese stark korrosiven Bedingungen liefert Aperam geeignete Werkstoffe. Für Elektroden und Bipolarplatten insbesondere die Nickellegierung 201, die hohe Korrosionsbeständigkeit mit guter elektrischer Leitfähigkeit verbindet. Versehen mit einem Nickelüberzug, können aber auch austenitische Sorten wie Aperam 316L, 316A, 310L und 904L oder die Duplex-Sorte DX2205 kostenoptimierte Alternativen darstellen.
Für Zellrahmen, Gehäuse und Rohrleitungen kommen Standardaustenite wie Aperam 304 (EN 1.4301) oder 316L (EN 1.4404) in Betracht.
Die AEL-Technologie ist industriell bewährt und robust. Die Investitionskosten sind vergleichsweise moderat. Ihr elektrischer Wirkungsgrad liegt bei 60 bis 70 %. Sie eignet sich vor allem für den großmaßstäblichen Dauerbetrieb an Standorten, an denen kontinuierlich Strom zur Verfügung steht.
Polymermembranen: elektrische Teilchen auf Wanderschaft
PEM-Elektrolyseure sind auch bei intermittierendem Betrieb effizient. Damit bieten sie sich für die Nutzung ungleichmäßig anfallender Wind- oder Solarenergie an, wie sie etwa für mitteleuropäische Standorte typisch sind. Sie eignen sich zudem auch für kleinere, dezentrale Anlagen. Die Temperaturen sind mit 50 bis 80 °C moderat. Gleichzeitig enthalten sie stark saure Prozessflüssigkeiten. Die Bipolarplatten bestehen typischerweise aus Titan oder alternativ aus nichtrostendem Stahl mit einer Titanauflage.
Anionen-Austausch-Membranen (AEM) stellen eine vielversprechende Alternative dar. Sie kombinieren Wirkmechanismen der alkalischen und der PEM-Technologie. Ihr Aufbau ist kompakt, sie kommen ohne besonders edle Katalysatormetalle aus und ihre Betriebstemperatur liegt bei 40 bis 70 °C.
Auch AEM-Elektrolyseure enthalten wässrige Medien. Die Bedingungen sind zumeist gemäßigt basisch und die Drücke niedrig. Die eingesetzten Werkstoffe müssen also korrosionsbeständig in alkalischer Umgebung sein. Kaleris betont: „Korrosionsbeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit sind ein Zusammenspiel. Wer sich schon einmal mit oxidierten Batteriekontakten herumgeärgert hat, weiß, dass Metalloxide isolierend wirken. In Elektrolyseuren würde Korrosion nicht nur die Betriebssicherheit gefährden, sie würde auch den Ionentransport einschränken und die elektrische Leistung beeinträchtigen.“
Für die AEM-Elektrolyse kommen dieselben Werkstoffe zur Anwendung wie bei der PEM-Technik. Auch die elektrische Effizienz beider Verfahren liegt auf ei-
nem ähnlichen Niveau. Allerdings befindet sich die AEM-Technologie noch in der industriellen Hochskalierung, Langzeiterfahrungen liegen nur begrenzt vor.
Solide Zukunft
Festoxid-Elektrolyseurzellen (solid oxide electrolyzer cells, SOEC) stellen den heißesten Kandidaten für die großmaßstäbliche Grundversorgung mit Wasserstoff dar, und das im wörtlichen Sinne. Denn der Elektrolyseprozess, der mit keramischen Membranen abläuft, erfordert Temperaturen im Bereich von 650 bis
850 °C. Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei 80 bis 90 %. Besonders interessant: Da als Ausgangsstoff Wasserdampf dient, kann ein Teil der benötigten Energie in Form industrieller Abwärme eingebracht werden, was den Gesamt-Wirkungsgrad noch einmal erhöht.
So groß wie das Potenzial sind aber auch die werkstofftechnischen Herausforderungen: Kriechfestigkeit, Ermüdung, Hochtemperaturoxidation, Gasdiffusion und Beschichtungskompatibilität. Kalergis: „Diese Betriebstemperaturen sind für uns kein Neuland, schließlich kommen unsere Werkstoffe seit Jahrzehnten bei Hochtemperaturprozessen in der chemischen Industrie zur Anwendung. Die Langzeiterfahrungen sind in unserem F&E-Bereich umfassend dokumentiert und ausgewertet. Sie fließen in Gemeinschaftsentwicklungen mit Kunden im Anlagenbau ein. Außerdem dienen sie als Grundlage für neue Werkstofflösungen, die wir insbesondere mit den Herstellern von Stacks vorantreiben.“
SOEC ermöglicht die Nutzung der Abwärme zum Beispiel von Rechenzentren.
Bei Verbindungsplatten, Stromsammlern und Endplatten wendet sich der Markt derzeit den ferritischen nichtrostenden Stählen zu. Einige der führenden Elektrolyseur-Hersteller haben bereits die Aperam-Sorten K41, K44M, K45 und K46 validiert. In Betracht kommt auch die Imphy-Legierung 23SO, die sich durch hervorragende Kriechfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen auszeichnet.
Herz und Kreislauf
Für die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems sind neben den Elektrolyseuren die sogenannten Balance-of-Plant- (BoP-) Komponenten, also die vor und nachgeschalteten Anlagenbestandteile, gleicher-maßen entscheidend. Hierfür hat Kalergis einen treffenden Vergleich: „Der Elektrolyseur ist das Herz der Anlage, BoP das Kreislaufsystem.“ Dazu gehören die Wasseraufbereitung ebenso wie die Nachbehandlung des erzeugten Gases. BoP für die SOEC-Technik ist ein besonders vielversprechendes Beispiel. KI eröffnet hier beachtliches Potenzial, denn sie erfordert riesige Datencenter. Sie produzieren gewaltige Mengen Abwärme, die als Prozesswärme für die SOEC-Elektrolyse genutzt werden kann. Die in Wärmetauschern und Gehäusen auftretenden hohen Temperaturen erfordern kriechbeständige Werkstoffe wie Aperam 309N und 310S oder Imphy 625.
In der Werkstoffmenge sind Anlagen für das Handling von Wasserstoff noch bedeutender als die Katalysatortechnik. Die Wasserstoffverflüssigung sowie Lagerung und Transport wären ohne austenitische nichtrostende Stähle oder die Eisen-Nickel-Legierung Invar® M93 nicht praktikabel. Flüssigwasserstofftanks und Pipe-in-Pipe-Systeme erfordern Werkstoffe, die auch bei −253 °C – dem Siedepunkt von Wasserstoff – Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit behalten.
Zentrale Herausforderungen bei allen Wasserstoffanwendungen sind einerseits die Permeabilität des Werkstoffs, andererseits die Wasserstoffversprödung. Spannungsrisskorrosion ist ein besonders tückischer Schadensmechanismus, denn bevorstehendes Bauteilversagen kündigt sich nicht durch deutlich sichtbare Korrosionserscheinungen an. Bei Wasserstoffanwendungen steht die Sicherheit an oberster Stelle. Die Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion ist abhängig von der Legierungszusammensetzung. Es ist also entscheidend, für die jeweilige Anwendung den richtigen Werkstoff auszuwählen. Das gilt insbesondere, wenn etwa korrosive Medien, extreme Temperaturen und Ermüdungsbeanspruchungen auf ein Bauteil einwirken. Hier ist das Aperam Innovation Lab der zentrale Ansprechpartner für Konstrukteure und Anlagenbauer.
Abgeschieden
Auf der Straße in Richtung Wasserstoffwende steht die Ampel auf blau. Denn die Herstellung von grünem Wasserstoff steht vor zahlreichen Hürden: Produktionskosten, technische Herausforderungen bei der Hochskalierung, fehlende Infrastruktur für Wasserstoffspeicherung und -transport und nicht zuletzt politische Einflüsse. Als Brückentechnologie wird daher die klassische Gewinnung von Wasserstoff aus Erdgas noch eine Weile industrielle Realität bleiben, wenngleich mit Kohlenstoffabscheidung als „blauer“ Wasserstoff. Anders als bei „grauem“ H₂, bei dem der aus dem Erdgas abgespaltene Kohlenstoff zu CO₂ reagiert und in die Atmosphäre entweicht, wird das Kohlenstoffdioxid im Fall des „blauen“ Wasserstoffs aufgefangen und in unterirdischen Lagerstätten, oft unter dem Meeresboden, verpresst (carbon capture and storage, CCS) oder als chemischer Rohstoff weiterverarbeitet (carbon capture and usage, CCU).
CO2 -Abscheidung ist ein großer Schritt in Richtung Kohlenstoffneutralität
Drei Haupttechniken kommen zum Einsatz. Erstens die Vorverbrennungstechnik, bei der CO₂ aufgefangen wird, bevor der Brennstoff verfeuert wird. Zweitens das Nachverbrennungsverfahren, bei dem CO₂ aus den Rauchgasen aufgefangen wird. Schließlich das Oxyfuel-Verfahren, bei dem während der Verbrennung Sauerstoff eingeleitet wird, um eine höhere CO₂-Konzentration zu erzeugen, was die Abscheidung erleichtert. Derzeit basieren die meisten CCS- und CCU-Lösungen auf der Nachverbrennungstechnologie, aber es gibt einen wachsenden Trend zur Sauerstoffverbrennung.
Für diese Anwendung findet sich im Aperam-Portfolio die gesamte Bandbreite von korrosionsbeständigen Werkstoffen, angefangen von den Standardsorten Aperam 304, 316A und 316L. Bei höheren Chloridgehalten und stärkeren mechanischen Beanspruchungen sind es Duplex-Sorten, vor allem DX2205, in den am stärksten belasteten Zonen Nickel-Basislegierungen aus dem Imphy-Sortiment. Solange die „grüne“ Wasserstofferzeugung mit Hilfe erneuerbarer Energien hochskaliert wird, stellen CCS und CCU gangbare Wege dar, die Wasserstoffwende technisch und wirtschaftlich praktikabel voranzutreiben.
Dimensionen der Synergie
Die Werkstoffe der Aperam-Gruppe decken alle gängigen Elektrolysetechniken ab sowie BoP, Wasserstoffverflüssigung und Kohlenstoffabscheidung. Die ferritischen Sorten der KARA®-Reihe, insbesondere K41, K44M und K45, sind aufgrund ihrer günstigen Hochtemperatureigenschaften, der geringen Wärmeausdehnung und der guten elektrischen Leitfähigkeit in der Elektrolysetechnik etabliert. Die Palette der austenitischen nichtrostenden Stähle in diesem Markt reicht von Aperam 304M über 316L und den neuen Stahl 316A bis zu 309N, 310S und der superaustenitischen Sorte 904L. Anwendungen mit hoher mechanischer und korrosiver Belastung werden durch Duplex-Sorten wie DX2205 abgedeckt. Die Reihe der Hochleistungswerkstoffe wird durch die Imphy-Legierungen INVAR® M93, Nickel 625, 825 und 201 ergänzt.
Die Lieferformen reichen von Präzisionsband bis zu Grobblech. Nichtrostender Stahl ist auch als Flachstab erhältlich, Legierungen in einer Vielzahl von Flach- und Langprodukten. Im Bereich der metallischen Beschichtungen liegen langjährige Praxiserfahrungen vor, und das Aperam Innovation Lab stellt seine umfassende Testkompetenz in den Dienst von Gemeinschaftsentwicklungen. Zusammen mit Kundenunternehmen entstehen neue Bauformen und dünnere Komponenten durch fortschrittliche Umformtechniken – bei gleichbleibender oder sogar verbesserter Haltbarkeit und Leistung.
Anlagen, die der CO2-Vermeidung dienen, sollten auch selbst aus kohlenstoffarm hergestellten Werkstoffen bestehen. Nichtrostende Standardsorten sind auch in einer Ausführung erhältlich, die zu mindestens 98 % aus Recyclingmaterial hergestellt ist – die Aperam infinite™-Reihe. Verarbeiter finden im Aperam-eigenen Recycler ELG einen Abnehmer für Produktionsabfälle. Er schließt den Werkstoffkreislauf auf kürzestem Wege. Anlagenbauer und Komponentenhersteller profitieren von der integrierten Servicecenter-Infrastruktur mit umfangreichen Lagerbeständen und reaktionsschneller Lieferlogistik – auch für den kurzfristigen Zugriff. Das Online-Tool e-aperam ermöglicht es, die Verfügbarkeit zu prüfen und Bestellungen jederzeit
aufzugeben.
Verarbeiter, die in der Wasserstofftechnik tätig sind oder in die Komponentenfertigung einsteigen, finden bei Aperam geeignete Ansprechpartner. Als Experte für Wasserstoffanwendungen rät Kalergis: „Unser Bereich Forschung und Entwicklung umfasst insgesamt 150 Personen. Kunden oder andere Interessenten, die Werkstoffberatung wünschen oder technisch-wissenschaftlichen Support benötigen, sollten mit mir oder Ralf Behle Kontakt aufnehmen, um das F&E-Netzwerk in Fragen der Wasserstoff-Elektrolyse und der Kohlenstoffabscheidung nutzen zu können.”
Wissen ist Macht. Aperam macht etwas daraus für seine Kunden.
Artikel aus dem FocusRostrei Magazin – Februar 2026
