Ziel der Entwicklung

Die zunehmende Einführung klimafreundlicher Kältemittel auf Basis von Kohlenwasserstoffen sowie der wachsende Einsatz von Wasserstoff als Energieträger stellen Hersteller von Dichtungen, Armaturen und verfahrenstechnischen Komponenten vor neue Herausforderungen. Die verwendeten Polymerwerkstoffe kommen dabei mit Fluiden in Kontakt, deren Wechselwirkungen mit den Werkstoffen bislang nur unzureichend untersucht bzw. bekannt sind. Insbesondere fehlen belastbare Daten zum zeitabhängigen Quell- und Schrumpfverhalten unter realen Druck- und Temperaturbedingungen.
Aus der Industrie bestand daher ein konkreter Bedarf an einer Prüfmethode, mit der die Medienbeständigkeit von Dichtungswerkstoffen gegenüber brennbaren Kältemitteln und Wasserstoff zuverlässig bewertet werden kann. Die bislang verfügbaren Standardverfahren erfassen in der Regel lediglich den Zustand der Werkstoffe vor und nach einer Auslagerung, liefern jedoch nur begrenzte Informationen über die während des Betriebs ablaufenden Quell- und Relaxationsprozesse.
Ziel des Projekts war deshalb die Entwicklung einer In-situ-Messmethode, mit der Materialveränderungen direkt während der Exposition gegenüber den jeweiligen Fluiden beobachtet und quantifiziert werden können. Dadurch sollte eine Die zunehmende Einführung klimafreundlicher Kältemittel auf Basis von Kohlenwasserstoffen sowie der wachsende Einsatz von Wasserstoff als Energieträger stellen Hersteller von Dichtungen, Armaturen und verfahrenstechnischen Komponenten vor neue Herausforderungen. Die verwendeten Polymerwerkstoffe kommen dabei mit Fluiden in Kontakt, deren Wechselwirkungen mit den Werkstoffen bislang nur unzureichend untersucht bzw. bekannt sind. Insbesondere fehlen belastbare Daten zum zeitabhängigen Quell- und Schrumpfverhalten unter realen Druck- und Temperaturbedingungen.
Aus der Industrie bestand daher ein konkreter Bedarf an einer Prüfmethode, mit der die Medienbeständigkeit von Dichtungswerkstoffen gegenüber brennbaren Kältemitteln und Wasserstoff zuverlässig bewertet werden kann. Die bislang verfügbaren Standardverfahren erfassen in der Regel lediglich den Zustand der Werkstoffe vor und nach einer Auslagerung, liefern jedoch nur begrenzte Informationen über die während des Betriebs ablaufenden Quell- und Relaxationsprozesse.
Ziel des Projekts war deshalb die Entwicklung einer In-situ-Messmethode, mit der Materialveränderungen direkt während der Exposition gegenüber den jeweiligen Fluiden beobachtet und quantifiziert werden können. Dadurch sollte eine bestehende Forschungslücke geschlossen und gleichzeitig eine praxisnahe Grundlage für die Werkstoffauswahl und Auslegung von Dichtungssystemen geschaffen werden.
Die Projektergebnisse unterstützen Unternehmen dabei, Entwicklungsrisiken zu reduzieren, geeignete Werkstoffe schneller zu qualifizieren und die Zuverlässigkeit von Komponenten für Anwendungen in der Kälte-, Energie- und Wasserstofftechnik zu erhöhen. Damit leistet das Vorhaben einen Beitrag zur sicheren und wirtschaftlichen Einführung klimafreundlicher Kältemittel sowie wasserstoffbasierter Technologien.

Vorteile und Lösungen

Ziel des Projekts war die Entwicklung eines Prüfverfahrens, mit dem das Quell- und Schrumpfverhalten von Polymerwerkstoffen in brennbaren Kältemitteln und Wasserstoff direkt während der Belastung untersucht werden kann. Hierfür wurde eine bereits vorhandene Messmethode, die bislang nur für nicht brennbare Fluide eingesetzt werden konnte, technisch weiterentwickelt und an die besonderen Anforderungen brennbarer Medien angepasst.
Der zentrale Lösungsansatz bestand darin, Materialveränderungen nicht erst nach Abschluss eines Versuchs zu bestimmen, sondern diese kontinuierlich während der Einwirkung des Fluids zu erfassen. Dazu wurden Elastomerproben in einem Durchsicht-Hochdruckautoklaven unter definierten Druck- und Temperaturbedingungen exponiert. Über ein visuell-optisches Messverfahren konnten Änderungen der Probengeometrie, die durch Quell- oder Schrumpfprozesse verursacht werden, direkt beobachtet und zeitaufgelöst ausgewertet werden. Dadurch lassen sich sowohl die Geschwindigkeit als auch das Ausmaß der Materialveränderungen bestimmen.
Um dieses Ziel zu erreichen, musste zunächst eine bestehende Versuchsanlage umfangreich umgebaut werden. Da mit brennbaren Gasen bzw. Kältemitteln gearbeitet werden sollte, wurden zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen erforderlich. Hierzu gehörten unter anderem die Installation eines Gasüberwachungssystems, die Einrichtung einer Absaugung zur Vermeidung explosionsfähiger Gasgemische sowie der Einsatz explosionsgeschützter Komponenten. Nach Abschluss der Umbauarbeiten wurde die Anlage sicherheitstechnisch geprüft und für den Betrieb freigegeben.
Anschließend wurden geeignete Werkstoffproben und Prüffluide ausgewählt. Im Mittelpunkt standen praxisrelevante Elastomerwerkstoffe, die häufig für Dichtungen in Kälte-, Ziel des Projekts war die Entwicklung eines Prüfverfahrens, mit dem das Quell- und Schrumpfverhalten von Polymerwerkstoffen in brennbaren Kältemitteln und Wasserstoff direkt während der Belastung untersucht werden kann. Hierfür wurde eine bereits vorhandene Messmethode, die bislang nur für nicht brennbare Fluide eingesetzt werden konnte, technisch weiterentwickelt und an die besonderen Anforderungen brennbarer Medien angepasst.
Der zentrale Lösungsansatz bestand darin, Materialveränderungen nicht erst nach Abschluss eines Versuchs zu bestimmen, sondern diese kontinuierlich während der Einwirkung des Fluids zu erfassen. Dazu wurden Elastomerproben in einem Durchsicht-Hochdruckautoklaven unter definierten Druck- und Temperaturbedingungen exponiert. Über ein visuell-optisches Messverfahren konnten Änderungen der Probengeometrie, die durch Quell- oder Schrumpfprozesse verursacht werden, direkt beobachtet und zeitaufgelöst ausgewertet werden. Dadurch lassen sich sowohl die Geschwindigkeit als auch das Ausmaß der Materialveränderungen bestimmen.
Um dieses Ziel zu erreichen, musste zunächst eine bestehende Versuchsanlage umfangreich umgebaut werden. Da mit brennbaren Gasen bzw. Kältemitteln gearbeitet werden sollte, wurden zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen erforderlich. Hierzu gehörten unter anderem die Installation eines Gasüberwachungssystems, die Einrichtung einer Absaugung zur Vermeidung explosionsfähiger Gasgemische sowie der Einsatz explosionsgeschützter Komponenten. Nach Abschluss der Umbauarbeiten wurde die Anlage sicherheitstechnisch geprüft und für den Betrieb freigegeben.
Anschließend wurden geeignete Werkstoffproben und Prüffluide ausgewählt. Im Mittelpunkt standen praxisrelevante Elastomerwerkstoffe, die häufig für Dichtungen in Kälte-, Energie- und Wasserstoffanlagen verwendet werden. Die Untersuchungen erfolgten mit verschiedenen Kohlenwasserstoffen sowie mit Wasserstoff unter realitätsnahen Druck- und Temperaturbedingungen.
Im Rahmen der experimentellen Arbeiten wurde das Quellverhalten der Werkstoffe systematisch untersucht. Dabei konnten sowohl Unterschiede zwischen den verwendeten Materialien als auch zwischen den einzelnen Fluiden nachgewiesen werden. Darüber hinaus wurden spezielle Fragestellungen betrachtet, beispielsweise der Einfluss von Kältemittel-Öl-Gemischen, das Verhalten bei schneller Druckentspannung sowie die Wirksamkeit von Polymerbeschichtungen zur Verringerung der Quellung.
Durch die entwickelte Messmethodik konnten erstmals zeitaufgelöste Informationen über die Wechselwirkungen zwischen Fluiden und Polymerwerkstoffen unter praxisnahen Bedingungen gewonnen werden. Das Projektziel wurde damit vollständig erreicht. Die entstandene Versuchsinfrastruktur ermöglicht künftig die Untersuchung weiterer Werkstoffe und Fluide und stellt eine wertvolle Grundlage für die Entwicklung sicherer und langlebiger Komponenten in der Kälte-, Energie- und Wasserstofftechnik dar.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die im Projekt entwickelte Prüfmethode richtet sich an Unternehmen und Forschungseinrichtungen, die Polymerwerkstoffe und Dichtungssysteme für Anwendungen mit Kältemitteln, Kohlenwasserstoffen oder Wasserstoff entwickeln, herstellen oder einsetzen. Zu den wichtigsten Zielgruppen zählen Hersteller von Dichtungswerkstoffen, Produzenten von Kälte- und Wärmepumpenanlagen, Verdichter- und Armaturenhersteller, Unternehmen der Wasserstoffwirtschaft sowie Prüf- und Entwicklungsdienstleister. Aufgrund der weltweit zunehmenden Nutzung natürlicher Kältemittel und des internationalen Ausbaus der Wasserstoffwirtschaft bestehen sowohl nationale als auch internationale Zielmärkte.
Anwender profitieren von der Entwicklung durch die Möglichkeit, das Verhalten von Werkstoffen unter realitätsnahen Druck- und Temperaturbedingungen zu untersuchen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Prüfverfahren können mit der entwickelten In-situ-Methode nicht nur die Ausgangs- und Endzustände einer Materialbeanspruchung, sondern auch die zeitlichen Abläufe von Quell- und Relaxationsprozessen erfasst werden. Dadurch lassen sich Werkstoffe gezielter auswählen, Entwicklungszeiten verkürzen und Risiken für spätere Ausfälle von Dichtungssystemen reduzieren. Die Ergebnisse unterstützen Unternehmen bei der Entwicklung sicherer, langlebiger und energieeffizienter Produkte.
Der Transfer der Forschungs- und Entwicklungsergebnisse erfolgt über mehrere Wege. Zum einen können die gewonnenen Erkenntnisse direkt in industrielle Entwicklungsprojekte und Werkstoffbewertungen einfließen. Zum anderen steht die aufgebaute Versuchsinfrastruktur künftig für Forschungskooperationen, Auftragsuntersuchungen und Prüfdienstleistungen zur Verfügung. Darüber hinaus werden die Ergebnisse über Fachveröffentlichungen, wissenschaftliche Vorträge, Tagungen sowie bestehende Netzwerke mit Industriepartnern verbreitet. Die im Projekt bestehende Zusammenarbeit mit einem Hersteller von Dichtungswerkstoffen gewährleistet bereits einen unmittelbaren Praxisbezug der erzielten Ergebnisse.
Für die Forschungseinrichtung werden positive wirtschaftliche Effekte durch zusätzliche Industrieaufträge, Forschungskooperationen und Folgeprojekte erwartet. Die entwickelte Versuchstechnik erweitert das vorhandene Leistungsangebot um Untersuchungen an brennbaren Kältemitteln und Wasserstoff und stärkt damit die Wettbewerbsfähigkeit im Bereich der anwendungsorientierten Werkstoff- und Energieforschung. Gleichzeitig entstehen neue Möglichkeiten zur Einwerbung von Drittmitteln sowie zur Zusammenarbeit mit Unternehmen aus Zukunftsbranchen der Kälte-, Energie- und Wasserstofftechnik.
Ein erstes Anwendungsbeispiel stellt die Bewertung von Elastomerwerkstoffen für Dichtungssysteme in Anlagen mit natürlichen Kältemitteln dar. Im Rahmen des Projekts konnten Unterschiede im Quellverhalten verschiedener Werkstoffe in Ethan, Propan und i-Butan nachgewiesen und Empfehlungen für deren Einsatz unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen abgeleitet werden. Darüber hinaus wurden Erkenntnisse zur Werkstoffbeständigkeit in Wasserstoff sowie zum Verhalten bei schnellen Druckentspannungen gewonnen, die für zukünftige Anwendungen in der Wasserstofftechnik von besonderem Interesse sind.