Wasserstoff-Dichtungen: Warum Elastomere zum Sicherheitsfaktor werden

Das kleinste Bauteil mit der größten Verantwortung

Elektrolyseure, Pipelines, Brennstoffzellen-Lkw: Wenn über Wasserstoff gesprochen wird, geht es meist um Großanlagen. Über ihre Sicherheit entscheidet aber oft ein vergleichsweise kleines Bauteil aus Elastomer oder Hochleistungskunststoff – genauer gesagt die Dichtung in Tank, Ventil, Verdichter oder Stack. Für Rohstoffhersteller, Compoundeure und Verarbeiter wird sie damit zu einem spannenden Wachstumsfeld – allerdings mit eigenen Regeln. Wie ernst die Branche das Thema inzwischen nimmt, zeigt dabei ein deutsch-japanisches Forschungsprojekt. Im Konsortium SusSeal4H2 haben die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), die Kyushu University, Freudenberg Technology Innovation und der japanische Dichtungshersteller NOK Corporation nämlich nachhaltige, wasserstoffverträgliche Dichtungswerkstoffe für sichere H₂-Versorgungsnetze untersucht. Und im Mai 2026 stellten die Partner ihre Ergebnisse schließlich auf einem Symposium in Berlin vor.

Einen ganz konkreten Beitrag lieferte hierbei die NOK: Der Dichtungshersteller hat im Projekt unter anderem eine Eigenschaftsübersicht verschiedener Kautschuk- und Kunststoffwerkstoffe für die Wasserstoffinfrastruktur erstellt. Sie soll Anwenderinnen und Anwendern künftig die Wahl von Werkstoff und Fertigungsverfahren erleichtern. Denn bis zur in der EU und in Japan angestrebten Klimaneutralität 2050 braucht die Wasserstoffversorgung in allen Stufen – Erzeugung, Speicherung, Transport, Nutzung – Dichtungen, die hohen Drücken und extrem tiefen Temperaturen standhalten.

Permeation, Quellung, Dekompression: drei Wege zum Versagen

Doch was macht Wasserstoff eigentlich so anspruchsvoll? "Als kleinstes Molekül kann er leicht in die Polymerstruktur eindringen und dort verschiedene Schädigungsmechanismen auslösen", erklärt Dr. Géraldine Theiler vom BAM-Fachbereich Komponenten für Energieträger. Dazu kommt der Druck: In einigen Anwendungen, etwa an Wasserstofftankstellen, arbeitet Wasserstoff nämlich mit bis zu 100 MPa, also 1.000 bar.

Konkret nennt Theiler drei Effekte, die einer Dichtung zusetzen:

• Permeation: Wasserstoff diffundiert schnell durch viele Elastomere. Je nach Werkstoff, Bauteilgeometrie und Betriebsbedingungen kann das die Dichtwirkung mindern und zu Leckagen führen.
• Quellung: Lagern sich Wasserstoffmoleküle zwischen den Polymerketten ein, verändern sich das freie Volumen und mechanische Eigenschaften wie Härte und Elastizität.
• Explosive Dekompression (Rapid Gas Decompression, RGD): Unter Hochdruck löst sich Wasserstoff im Elastomer. "Wird der Druck schnell abgesenkt, bilden sich im Material Gasblasen, deren Expansion zu Mikrorissen, Blasenbildung und letztlich zum Versagen der Dichtung führen kann", berichtet Theiler.

Dass es keinen Universalwerkstoff gibt, zeigt dabei auch eine BAM-Studie aus dem Jahr 2024. Die Forschenden lagerten EPDM, HNBR und FKM bis zu 100 Tage bei 150 °C in 50 bar Wasserstoff. Im Versuch ließ FKM zwar am wenigsten Wasserstoff durch, verpresste FKM-O-Ringe rissen aber nach 100 Tagen – die Autorinnen und Autoren führen das auf Dekompression zurück. EPDM wiederum alterte in Wasserstoff am stabilsten, war dafür aber deutlich durchlässiger. Diese Befunde gelten allerdings für die gewählten Prüfbedingungen und die untersuchten Mischungen – ein Pauschalurteil über die Werkstoffklassen lässt sich daraus nicht ableiten. Gefragt sind also Werkstoffe, die geringe Permeabilität, hohe Dekompressionsbeständigkeit und stabile mechanische und tribologische Eigenschaften vereinen.

Die einzige Barriere zur Umgebung

Warum aber hängt überhaupt so viel an Dichtungen? "Sie sind in vielen Anwendungen die einzige Barriere zwischen dem Wasserstoff und der Umgebung", so Theiler – und das nicht nur im Mobilitätssektor. Gleichzeitig sind Dichtungen hohen mechanischen Lasten, Druckschwankungen und großen Temperaturunterschieden ausgesetzt. Schon ein lokaler Schaden kann deshalb die Dichtfunktion beeinträchtigen und ganze Komponenten lahmlegen. Solche Szenarien fließen daher fest in Risikoanalysen ein. Eine mögliche Folge im Ernstfall: Die Anlage wird abgeschaltet, die Dichtung getauscht – mit Wartungskosten und Ausfallzeiten.

Besonders kritisch sind allerdings dynamisch belastete Dichtungen, etwa in Verdichtern, Ventilen und Betankungssystemen. Genau hier kommt die Tribologie ins Spiel, also die Lehre von Reibung und Verschleiß. Theilers Team hat dabei eine wichtige Erkenntnis gewonnen: Das Reib- und Verschleißverhalten in Wasserstoff lässt sich nicht immer aus Versuchen an Luft ableiten. "Werkstoffe, die unter Umgebungsbedingungen ein sehr gutes Reibungs- und Verschleißverhalten zeigen, können sich unter Wasserstoffatmosphäre oder bei erhöhtem Druck deutlich anders verhalten." Die Ursache seien laut Theiler komplexe Wechselwirkungen zwischen Gasaufnahme, Füllstoffen und Additiven sowie den Vorgängen an der Reibfläche. Hinzu kommt ein zweites Problem: Ergebnisse verschiedener Labore sind oft nur eingeschränkt vergleichbar. Unterschiedliche Prüf- und Auswertungsmethoden können dabei zu erheblichen Abweichungen führen. "Deshalb benötigt die Branche harmonisierte Prüfverfahren", meint Theiler. Einheitliche Standards seien schließlich die Grundlage für eine verlässliche Werkstoffauswahl und beschleunigten die Entwicklung sicherer, langlebiger Systeme.

Nachhaltig und wasserstofftauglich – kein Widerspruch

Neben der Sicherheit stand im Projekt auch die Nachhaltigkeit im Fokus. Zu den etablierten Dichtungswerkstoffen für Wasserstoffanwendungen zählen neben EPDM und HNBR auch fluorierte Polymere wie FKM und PTFE – das eine ein Fluorelastomer, das andere ein Fluorkunststoff mit jeweils eigenem Eigenschaftsprofil. Beide gelten zwar als leistungsfähig, stehen aber wegen ihres CO₂-Fußabdrucks und der geplanten EU-weiten PFAS-Beschränkung unter Druck – auch wenn Umfang und mögliche Ausnahmen dieser Regelung noch nicht feststehen. SusSeal4H2 hat deshalb gezielt alternative Polymere geprüft – statisch und dynamisch, in kryogenem und in Hochdruck-Wasserstoff. Das Ziel: ein deutlich geringerer CO₂-Fußabdruck. Und das Ergebnis fällt durchaus positiv aus.

Das Projekt zeige damit einen vielversprechenden Weg zu PTFE-freien, leistungsfähigen und nachhaltigeren Dichtungsmaterialien. Ergänzend steuerte NOK eine Lebenszyklusanalyse (LCA) bei. Sie identifizierte die wichtigsten CO₂-Quellen in der Fertigung. Ob eine Alternative tatsächlich klimafreundlicher ist, lässt sich nur über eine solche Lebenszyklusbetrachtung belastbar beurteilen. Zugleich benannte der Hersteller jedoch eine strukturelle Lücke: Während die japanische Reifenindustrie bei Recycling und Biomasse bereits weit ist, gibt es bei Dichtungen noch technische und rechtliche Hürden. Dass Wasserstoffdichtungen längst keine reine Laborfrage mehr sind, zeigt obendrein das Beispiel Freudenberg Sealing Technologies, die Dichtungssparte der Freudenberg-Gruppe. (Projektpartner Freudenberg Technology Innovation ist die zentrale Forschungseinheit von Freudenberg.) Das Unternehmen hat nach eigenen Angaben mehrere serienreife Fertigungsprozessketten für Elektrolyseur-Stacks, Peripherie und H₂-Infrastruktur industrialisiert. Ein hochdruckfestes Dichtungsdesign für PEM-Stacks sei sogar bereits für die Serienfertigung validiert. Darüber hinaus hat Freudenberg auch Stack-Dichtungen für Brennstoffzellen sowie statische und dynamische Dichtungen für Ventile, Verdichter und Pumpen im Programm. Für Verarbeiterinnen und Verarbeiter sind dabei vor allem die Fertigungsverfahren dahinter interessant. Freudenberg spritzt Dichtungen nämlich direkt auf metallische Bipolarplatten sowie auf Metall- und Thermoplastrahmen. Das spart nicht nur Bauteile, sondern erhöht auch den Automatisierungsgrad. Ziel sind jeweils enge Toleranzen und geringes Kriechen – Voraussetzung für Stack-Lebensdauern von vielen zehntausend Stunden.

Trotz dieser Fortschritte bleiben offene Fragen – vor allem dort, wo es dynamisch oder extrem kalt wird. Das spiegeln auch die Programmpunkte des SusSeal4H2-Symposiums wider: Schadensanalysen an Kompressor-Kolbenringen, das tribologische Verhalten von Dichtungen in kryogenem und Hochdruck-Wasserstoff, Herausforderungen der Flüssigwasserstoff-Infrastruktur. Denn flüssiger Wasserstoff wird bei rund −253 °C gelagert – dort sind klassische Elastomere längst spröde. Um solche Fragen zu klären, setzt die BAM auf realitätsnahe Komponentenprüfungen und Reallabore. Dort werden Sicherheit und Zuverlässigkeit von Wasserstofftechnologien unter praktischen Einsatzbedingungen bewertet.

Wird die Dichtung zum Flaschenhals?

Bleibt die Frage: Kann ausgerechnet die Dichtung den Hochlauf bremsen? Theiler zählt Dichtungswerkstoffe zu den entscheidenden Komponenten für die Sicherheit der künftigen Wasserstoffinfrastruktur. Ihr Versagen könne nicht nur die Leistung eines Systems mindern, "sondern auch sicherheitsrelevante Folgen haben".

Damit es gar nicht erst so weit kommt, braucht es aus ihrer Sicht vor allem zwei Dinge:

• Einheitliche Prüfstandards für bestehende und neue Werkstoffe, die eine belastbare Bewertung und Vergleichbarkeit ermöglichen.
• Digitale Überwachung von Anlagen und Komponenten, um Schäden früh zu erkennen und die Betriebssicherheit zu erhöhen.

Für die Kautschuk- und Kunststoffindustrie ist das letztlich auch eine Chance. Wer Werkstoffe mit geringer Permeation, hoher Dekompressionsbeständigkeit und kleinem CO₂-Fußabdruck liefert und deren Eignung nach anerkannten Verfahren nachweist, besetzt eine Schlüsselstelle der Energiewende.  Gefordert ist dabei nicht zuletzt die Rohstoffseite. Denn bislang konzentrieren Rohstoffhersteller ihre Umweltinvestitionen vor allem auf Reifen – Spezialkautschuke für die Wasserstoffinfrastruktur geraten dabei ins Hintertreffen, wie in der Diskussion beim Symposium deutlich wurde. Polymere und Compounds, die gezielt auf Wasserstoffanwendungen und fluorfreie Rezepturen ausgelegt sind, könnten genau diese Lücke schließen.