Wenn die Dichtung zur Schlüsselkomponente wird

Die Notwendigkeit zum Reduzieren der Treibhausgase, steigende Anforderungen an eine flächendeckende Energiesicherheit sowie eine wachsende Industrienachfrage treiben die Entwicklungen in der Wasserstoffwirtschaft voran. Mit diesem dynamischen Wachstum potenzieren sich auch die technischen und regulatorischen Anforderungen entlang der gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette. Der Industrialisierungsdruck steigt und die Dichtungen spielen eine zentrale Rolle als sicherheitskritische Schlüsselkomponenten. Sie müssen Permeation minimieren, hohen Drücken und schnellen Druckwechseln widerstehen und so das Risiko der explosiven Dekompression (RGD – Rapid Gas Decompression) auf ein Minimum reduzieren. Zudem wird eine optimale Temperaturbeständigkeit gefordert und Medien wie Sauerstoff, Kaliumhydroxid oder Schwefelsäure beschleunigen die Alterung der eingesetzten Komponenten. Im Zentrum all dieser Anforderungen steht die Wahl des jeweils optimalen Werkstoffs sowie der idealen Dichtungsgeometrie.

Dichtungen: Vom C-Teil zur sicherheitskritischen Schlüsselkomponente

Die Anforderungen an Dichtungen in Wasserstoffsystemen unterscheiden sich fundamental von konventionellen Gas- und Flüssigkeitsanwendungen. Daher folgt die Werkstoffwahl immer dem Medium-, Temperatur- und Druck-Zyklus und bezieht dabei die benötigte Lebensdauer und Reinheit ein. Dichtungen werden zunehmend datenbasiert spezifiziert. Test- und Validierungsverfahren unter realistischen Betriebsbedingungen gewinnen an Bedeutung, weil sie Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit herstellen. Von besonderer Bedeutung sind hier die Werkstoffeigenschaften hinsichtlich Permeation, Druckwechsellast, Leckage und der späteren Montage. Für die Entwicklungsarbeit bedeutet das eine frühere Einbindung in die Anlagen- und Stackplanung, denn Werkstoff, Design, Fertigung und Prüfmethodik lassen sich nur dann optimal zusammenführen, wenn sie von Beginn an gemeinsam gedacht werden. Hierbei sind Erfahrungswerte essenziell, um kritische Stellen frühzeitig zu identifizieren. Wird das Dichtungs-Know-how kontinuierlich über Simulationen, Prüfstände und eine Validierung unter realistischen Betriebsbedingungen abgesichert und ausgebaut, kann man zusammenfassen: Erfahrung liefert die Richtung, Daten liefern die Absicherung.

Werkstoffe im Elektrolyseur: PEM, AEM, AEL und SOEC

Im Protonen-Austausch-Membran-Verfahren (PEM) herrscht ein pH-Wert von 4-6. Die Sauerstoffseite ist oxidativ, der Temperaturbereich liegt bei 60 bis 120 °C und Drücke von bis zu 35 bar sind üblich. Hier empfiehlt sich FKM (Fluorkautschuk) aufgrund seiner niedrigen Wasserstoff-Permeation sowie einer hohen Oxidations- und Temperaturbeständigkeit an der Stackseite. An Stellen mit geringer Schraubenlast und hohem Reinheitsbedarf kommt dagegen meist PTFE (Polytetrafluorethylen) zum Einsatz. Bei der Montage ist es wichtig, auf höchste Sauberkeit zu achten, um eine Ionenauslaugung zu vermeiden.

In der alkalischen und der Anionen-Austausch-Membran-Elektrolyse (AEL und AEM) sind die Vorzeichen andere. Kaliumhydroxid-Lösungen von 3 bis 30 %, Temperaturen von 60 bis 150 °C und Drücke bis 35 bar definieren hier die Anforderungen an Dichtungslösungen. Demzufolge dominiert in diesen Umgebungen EPDM aufgrund seiner Kaliumhydroxid-Beständigkeit (KOH). Zudem bewähren sich hier PTFE (Polytetrafluorethylen) und ePTFE (expandiertes Polytetrafluorethylen) wegen ihrer Chemikalienbeständigkeit. Beim Hochtemperaturverfahren SOEC müssen die Werkstoffe und Dichtungsdesigns im Temperaturbereich von 800-1000 °C die thermische Korrosion und Relaxation sowie die kontinuierlichen Start-Stopp-Zyklen überstehen. 

L-/C-Querschnitt als Dichtungsdesign

Für PEM-Stacks hat Freudenberg Sealing Technologies ein hochdrucktaugliches Dichtungsdesign entwickelt, das bereits serienerprobt ist. Hierbei handelt es sich um eine Nutklemmung mit Halte-Eigenschaften: einen L-förmigen Querschnitt, der unter Betriebsdruck in eine C-Barriere „aktiviert“ (L-/C-Querschnitt). Dieses Design veranschaulicht, wie Geometrie, Bindung und Prozess zusammenspielen. Der charakteristische Nutzen für die H₂-Elektrolyse liegt in einer besseren Reproduzierbarkeit der Kompressionslage sowie einer niedrigen Leckage- beziehungsweise Permeationsneigung. Erweitert man den Fokus auf geeignete Fertigungsverfahren und integrierte Dichtungslösungen – beispielsweise auf thermoplastische Rahmen mit integrierter Dichtung – ist es sogar möglich, die Bauteilzahl zu reduzieren und den Automatisierungsgrad zu steigern.

Werkstoffe für Kompression, Speicherung, Transport und Power-to-X

Kolben- und Membrankompressoren setzen auf Packungsdichtungen aus grafitgefülltem PTFE. Berührungsarme Labyrinthdichtungen und Stützringe aus Polyetheretherketon (PEEK) ergänzen das Portfolio als Extrusionsschutz bei hohen Drücken. In Turbo- und Zentrifugalkompressoren dominieren dagegen berührungslose Trockengasdichtungen aufgrund ihrer geringen Leckagerate und langen Standzeiten. Bei Pumpen kommen Gleitringdichtungen sowie Stopfbuchspackungen aus Grafit zum Einsatz. Sie halten Wasser, Kühlmitteln, Kalilauge und CO₂-haltigen Strömen stand.

Für die Speicherung und den Transport von komprimiertem gasförmigem Wasserstoff gelten andere Regeln: Hier herrschen Temperaturen zwischen -40 und +85 °C sowie Drücke bis zu 105 MPa. Deshalb werden hier O-Ringe sowie O-Ring/Backring-Kombinationen aus EPDM, FKM und HNBR (hydrierter Nitril-Butadien-Kautschuk) eingesetzt – ergänzt durch federunterstützte PTFE-Lippendichtungen und Metalldichtungen. Weil Elastomere bei flüssigem kryogenem Wasserstoff und -253 °C ungeeignete Werkstoffeigenschaften aufweisen, bieten in diesen kritischen Bereichen nur Metall- und Kunststoffdichtungen aus PTFE die benötigte Performance.

Auch Rohr- und Fitting-Schnittstellen stellen Dichtungen vor besondere Herausforderungen. Sie müssen ultradicht, hochrein und hochdruckfest sein. Edelstahl- und Nickel-Legierungen in Form von VCR-Verbindungen, Metall-Gleitringdichtungen sowie Konus-Gewindeschraubverbindungen erfüllen diese Anforderungen.

In Power-to-X-Prozessen (PtX) – beispielsweise der Ammoniak- oder Methanolsynthese – bewähren sich statische Hochleistungsflachdichtungen. Hierfür werden in den stark korrosiven Prozessabschnitten PTFE-basierte Dichtwerkstoffe benötigt. Zudem bewähren sich hier spiralförmig gewickelte Dichtungen, Kammprofile und flexibles Grafit in Form von Grafitlaminaten.

Konstruktive Empfehlungen zur Werkstoffauslegung

Klemmkraft und interner Druck müssen ausbalanciert sein. Hierbei helfen Dichtungsnuten (Sealing Groove). Sie wirken als Kraft-Bypass und reduzieren Überpressung und Extrusion gegenüber flanschflächenbündigen Flachdichtungen. Profilierte Elastomer-Querschnitte senken zudem die erforderliche Schraubenlast – deutlich mehr, als eine reine Plattengeometrie das könnte. Auch Finite-Elemente-Analysen und Prüfungen sollten früh eingeplant werden, um Toleranz- und Druckfestigkeit zu bestätigen. Denn eines gilt für die gesamte Branche: Standardteile reichen selten. Applikationsspezifische Compounds und Designs sind die Regel.