Die Bedeutung innovativer Dichtungssysteme für die Wasserstoff-Industrie 

Die zunehmende Bedeutung von Wasserstoff als Energieträger stellt neue Anforderungen an industrielle Komponenten, insbesondere an Armaturen, Ventile und Kompressoren. Die hohen Drücke in der Wasserstoffspeicherung, die extremen Temperaturbereiche von – 253 °C bis zu + 900 °C in Brennstoffzellen sowie die chemische Reaktivität des Wasserstoffs erfordern spezialisierte Dichtungslösungen. Konventionelle Dichtungsmaterialien und -designs stoßen in diesen Anwendungen schnell an ihre Grenzen. Durch innovative Entwicklungen in der Dichtungstechnik ermöglicht Freudenberg Sealing Technologies eine deutliche Erhöhung der Betriebssicherheit und Effizienz in der Wasserstoffwirtschaft. 

Herausforderungen bei Dichtungen in Hochdruck-Wasserstoff-Anwendungen

Wasserstoff stellt aufgrund seiner einzigartigen physikalischen Eigenschaften erhebliche Herausforderungen an Dichtungssysteme. Die extrem geringe Molekülgröße von Wasserstoff mit einem Durchmesser von etwa 120 pm (1,2 × 10⁻¹⁰ m) führt dazu, dass das Gas durch viele konventionelle Materialien diffundiert. Die Wasserstoffpermeabilität muss daher durch speziell entwickelte Werkstoffe minimiert werden, um Leckagen und Effizienzverluste zu verhindern. In Hochdrucksystemen entstehen zusätzliche Risiken durch explosive Dekompression (Rapid Gas Decompression, RGD). Dabei kann Wasserstoff in die Materialstruktur der Dichtung eindringen und bei einem plötzlichen Druckabfall expandieren, was Mikrorisse verursacht und zur Zerstörung der Dichtung führen kann.

Ein weiteres kritisches Problem ist die Wasserstoffversprödung. Wasserstoffatome diffundieren neben Kunststoffen auch in metallische Werkstoffe und verändern deren Mikrostruktur, was schließlich zu mechanischem Versagen führt. Dies betrifft nicht nur Komponenten wie Ventile und Flanschverbindungen, sondern auch Polymere in dynamischen Dichtungssystemen. Werkstoffe mit geringer Permeabilität und hoher Beständigkeit gegenüber Wasserstoffversprödung sind erforderlich, um eine lange Lebensdauer in kritischen Anwendungen zu gewährleisten.

Hochleistungsdichtungen für Ventile und Kompressoren

Der Transport von großen Mengen Wasserstoff birgt erhebliches Gefahrenpotential. Hochleistungs-Dichtungen sind entscheidend für sicheres Handling des Energieträgers. (Quelle: Freudenberg Sealing Technologies)

Freudenberg Sealing Technologies hat Hochleistungsdichtungen entwickelt, die speziell für Wasserstoffanwendungen optimiert sind. Die Materialien wurden mit besonderem Fokus auf hohe Beständigkeit gegen extreme Druckzyklen entwickelt. Elastomere wie 85 EPDM 239308 sind für Temperaturbereiche von -60 °C bis 150 °C ausgelegt und bieten eine nachweislich reduzierte Wasserstoffpermeabilität. Fluorkautschuk (FKM)- und Perfluorelastomer (FFKM)-Dichtungen zeigen herausragende Eigenschaften in Hochdruckkompressoren und Ventilen, die für die Verdichtung von Wasserstoff essenziell sind.

Speziell für Scroll- und Kolbenkompressoren bietet Freudenberg Sealing Technologies Dichtungslösungen, die durch verbesserte Selbstschmierung und reduzierte Reibungseffekte die Standzeit signifikant verlängern. Um Energieverluste durch Leckagen in Wasserstoffverdichtern zu reduzieren, wurden spezielle Dichtleisten entwickelt, die eine maximale Gasrückhaltung gewährleisten. Auch in Tankventilen und Betankungssystemen sorgen optimierte Dichtungskonstruktionen für höchste Betriebssicherheit und eine verlässliche Abdichtung bei extremen Druckzyklen.

Neben dem Material selbst ist auch die Dichtungsgeometrie entscheidend. Speziell entwickelte Profilgeometrien optimieren den Anpressdruck, reduzieren mechanische Belastungen und minimieren Leckagen. Hybridlösungen kombinieren Elastomere mit metallischen Stützelementen, wodurch die Druckbeständigkeit erhöht wird. Für Hochdruckanwendungen bis 800 bar werden zudem Back-up-Ringe aus Hochleistungskunststoffen eingesetzt, die das Herausquetschen der Elastomerdichtung verhindern.

Fertigungskompetenz: Maßhaltigkeit und Präzision stehen beim Umspritzen eines Metallrahmens für einen Elektrolyseur im Vordergrund. (Quelle: Freudenberg Sealing Technologies)

Dichtungslösungen für Elektrolyseure: Anforderungen und Innovationen

Elektrolyseure sind das Herzstück der Wasserstoffproduktion und benötigen Dichtungen, die hohen Drücken, Temperaturzyklen und aggressiven chemischen Umgebungen standhalten. In Protonenaustauschmembran-Elektrolyseuren (PEM-Elektrolyseure) müssen die Materialien korrosionsbeständig sein und über eine hohe Langzeitstabilität verfügen, um eine kontinuierliche Produktion von Wasserstoff ohne signifikante Leistungsverluste zu ermöglichen. Alkalische Elektrolyseure verlangen nach Dichtungen, die hohen pH-Werten und der chemischen Belastung durch Kalilauge widerstehen.

Freudenberg Sealing Technologies entwickelt auch hierfür Lösungen. Durchdachte Konzepte integrieren Dichtungen direkt in die Elektrolyseur-Stapelplatten, minimieren das Risiko von Leckagen und gewährleisten eine gleichmäßige Druckverteilung. PTFE- und FKM-Verbundmaterialien bieten dabei sowohl chemische Beständigkeit als auch eine äußerst geringe Gaspermeabilität. Dabei konnte eine signifikante Erhöhung der Standzeiten erreicht werden.

Langzeitstabilitätsprüfungen zeigen, dass die Hochleistungsdichtungen von Freudenberg Sealing Technologies auch unter hohen Belastungen über viele Jahre hinweg zuverlässig abdichten. Durch Finite-Elemente-Analysen und tribologische Prüfstände können Materialformulierungen optimiert werden, um Gasdichtigkeit über Einsatzzeiträume von über 80.000 Stunden zu gewährleisten.

Haftungsprüfung zwischen Kunststoff und Elastomer in Elektrolyseuren mit thermoplastischen Rahmen. (Quelle: Freudenberg Sealing Technologies)

Dichtungslösungen für kryogene Wasserstoff-Anwendungen

Flüssiger Wasserstoff wird bei Temperaturen von -253 °C gelagert und transportiert, was extreme Anforderungen an Dichtungsmaterialien stellt. Viele konventionelle Elastomere verlieren bei diesen Temperaturen ihre Elastizität und werden spröde, was zu Leckagen oder Materialversagen führen kann. Die Lösung sind speziell entwickelte PTFE- und PCTFE-Dichtungen, die eine außergewöhnliche Kälteflexibilität und Resistenz gegen thermische Schrumpfung aufweisen. Diese Werkstoffe behalten ihre mechanische Stabilität selbst bei den tiefsten Temperaturen und gewährleisten eine sichere Abdichtung in Anwendungen wie Wasserstofftanks, Ventilen und Transferleitungen.

Freudenberg Sealing Technologies betrachtet bei Entwicklungen immer das gesamte Dichtungssystem aus Dichtelement, Aufnahme und Gegenfläche, ggf. ergänzt durch Hilfskomponenten. Neben den verwendeten Materialien spielt dabei auch die Dichtungsgeometrie eine entscheidende Rolle. Optimierte Kontaktflächen verhindern Kältebrücken und minimieren den Effekt der Materialkontraktion. Die Kombination aus einem ganzheitlichen Systemgendanken, fortschrittlichen Materialien und innovativen Designs stellt sicher, dass Wasserstoffsysteme über lange Zeiträume hinweg sicher betrieben werden können.

Zukunftsperspektiven: Skalierbare Dichtungstechnologie für eine wachsende Wasserstoffwirtschaft

Die fortschreitende Skalierung der Wasserstoffwirtschaft erfordert zuverlässige und langfristig stabile Dichtungslösungen für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, investiert Freudenberg Sealing Technologies seit Jahren verstärkt in die Erforschung neuer Materialien und Prüfverfahren. Exakte Materialdaten, Erfahrung und moderne Simulationstechnologie ermöglichen die Vorhersage von Materialverhalten unter extremen Bedingungen, während moderne Prüfstände realistische Langzeitbelastungen simulieren. So werden die Entwicklungszeiten erheblich reduziert.

Die Entwicklungen in den Bereichen Ventil- und Kompressordichtungen sowie die Integration von Dichtungen in Elektrolyseure sind entscheidende Schritte, um die großflächige Nutzung von Wasserstoff als nachhaltigen Energieträger zu ermöglichen. Kontinuierliche Innovation in der Dichtungstechnik wird dabei eine Schlüsselrolle in der langfristigen Etablierung der Wasserstoffwirtschaft spielen.

Weitere Informationen finden Sie hier: www.fst.com/wasserstoff