X

Wasserstoffspeicher


Untersuchungen von Wasserstoffspeicherlösungen

mit Methoden der thermischen Analyse

Da die massenspezifische Energiedichte von Wasserstoff (33,3 kWh/kg) eine der höchsten aller Kraftstoffe ist, war und ist die Verwendung von Wasserstoff für die Mobilität und als Energiespeichermedium von großem Interesse. Eines der Hauptprobleme, die es zu lösen gilt, ist jedoch die Tatsache, dass Wasserstoffspeicher eine Herausforderung darstellen und mit einer Reihe von Nachteilen verbunden ist, die sorgfältig bedacht werden müssen.

Bei der konventionellen Wasserstoffspeicherung wird normalerweise Wasserstoff in flüssigem Zustand bei 20 K und einer Dichte von 71 kg/m^3 verwendet. Für die Verflüssigung werden jedoch 30 % der Energie benötigt, die der Wasserstoff speichern kann. Daneben wird Wasserstoff auch in gasförmigem Zustand bei einem Druck von bis zu 700 bar in Flaschen gespeichert, wobei durch die Kompression ein Energieverlust von etwa 12 % der gespeicherten Energie entsteht.

Beide Varianten bergen das Risiko einer unerwünschten Freisetzung von Wasserstoffgas aufgrund seiner hohen Diffusionsrate durch die meisten Materialien. Da der Wasserstoff nicht chemisch gebunden ist, kann er leicht diffundieren, und es besteht immer die Gefahr von Bränden und Explosionen in den Wasserstoffspeichern.

Self service hydrogen filling station on a background of trucks

Um dies zu umgehen, wurden in der jüngeren Vergangenheit Studien zur Verwendung von Metallorganischen Verbindungen (MOF’s), Metallhydrid-Kombinationen und auch Zeolith-Strukturen durchgeführt, um die Wasserstoffspeicherung durch Sorption mechanisch zu binden. Der Vorteil ist ein geringeres Diffusionsrisiko, allerdings haben die meisten Metallhydride ein eher schlechtes Metall-Wasserstoff-Verhältnis und eine langsame Aufnahme- und Abgaberate von Wasserstoff. Infolgedessen hat nur das Nickel-Metallhydrid-System aufgrund seiner Verwendung als Batterie für die Wasserstoffspeicherung eine breite Akzeptanz gefunden.

Die thermische Analyse ist das perfekte Werkzeug zur Untersuchung der Sorptions- und Desorptionsprozesse von Wasserstoff. Die Untersuchung erfolgt mit gravimetrischen und volumetrischen Sorptionsanalysatoren und Thermowaagen unter Druck. Mit dem richtigen Aufbau von Gasfluss, Durchflussraten, Druck und Vakuum können Zeolithe und MOF’s sowohl mit TGA (Thermogravimetrie) als auch mit DSC (Differential Scanning Calorimeter) charakterisiert werden, wodurch die Sorptions- und Desorptionswärme bestimmt werden kann.

Derzeit gibt es ein neuartiges Konzept der Flüssigwasserstoffspeicherung unter Verwendung von flüssigen organischen Trägern (LOHCs) wie Dibenzyltoluol (DBT). Dabei handelt es sich um eine ungiftige, schwer entflammbare Flüssigkeit, die mit Hilfe eines Rh-Katalysators bei 5 bar und 200°C Wasserstoff aufnehmen kann. Das entstehende sogenannte Peroxy-DBT kann 600 Liter gasförmigen Wasserstoff pro Liter Flüssigkeit aufnehmen, was einer Speicherkapazität von 2 kWh/kg entspricht. Die Freisetzung kann bei 300°C und reduziertem Druck erfolgen. Mit dieser Technologie kann eine viel höhere Aufnahme- und Freisetzungsrate als mit festen Wasserstoffspeichern erreicht werden, wobei der Vorteil niedriger Diffusionsraten und damit eines geringeren Risikos einer unkontrollierten Wasserstofffreisetzung erhalten bleibt.

A hydrogenstorage fuel cell buses stands at the station

Neben der neuen Technologie der Flüssigwasserstoffspeicher gibt es auch den Ansatz der Speicherung durch chemische Bindung von Wasserstoff an ein anderes Molekül. Ein klassisches Beispiel für diese Art der Reaktion ist die berühmte Haber-Bosch-Synthese von Ammoniak aus den Elementen Wasserstoff und Stickstoff. Die jährliche Produktion von Ammoniak beträgt mehr als 200 Milliarden Tonnen, wovon ¾ für die Düngemittelproduktion verwendet werden. Die Haber-Bosch-Reaktion findet normalerweise bei 200 bar und 450°C unter Verwendung von Eisenkatalysatoren statt. Das dabei entstehende Ammoniak ist einfacher zu handhaben und zu lagern als Wasserstoffgas, allerdings ist es giftig und korrosiv, was bei reinem Wasserstoff nicht der Fall ist. Der Energiegehalt von Ammoniak beträgt 5,2 kWh/kg, was einen Wirkungsgrad von 63 % bei der Herstellung aus den Elementen bedeutet. Der Energiegehalt ist 2,6 Mal höher als der von Peroxy-DBT, aber immer noch nur 1/6 des reinen Wasserstoffs.

Neben Ammoniak gibt es auch andere Gase, die aus Wasserstoff synthetisiert werden können, wie z. B. Methangas oder andere Kohlenwasserstoffe, bei denen ein geringeres Risiko der Wasserstofffreisetzung besteht. Methan ist beispielsweise das Ergebnis der so genannten Kohlevergasung, bei der Holzkohle oder Biomasse bei hohen Temperaturen und hohem Druck mit Wasserdampf behandelt werden, um zunächst Kohlenmonoxid und Wasserstoff und in einem zweiten Schritt Methan und Wasser zu erzeugen. Dieser Prozess ist eine der am meisten untersuchten Reaktionen, die mit Hochtemperatur- und Hochdruck-Thermowaagen (Hochdruck-TGA und Hochdruck-TG-DSC) durchgeführt werden. Da diese Systeme leicht mit Feuchtigkeits- und Dampferzeugern ausgestattet werden können, lassen sich mit ihnen der Vergasungsgrad, der Kohlenstoffgehalt und die Reaktionswärme gleichzeitig in einem Versuch messen.

Das Thema der Wasserstoffspeicherung wird uns noch viele Jahre begleiten.

hydrogen storage molecules