Wasser­stoff: Fest­stoff- statt Gas­druck­spei­cher

Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Geesthacht haben gemeinsam mit europä­ischen Partnern ein neues Material zur Fest­stoff­spei­che­rung von Wasser­stoff ent­wickelt. Eine spezielle Kombi­nation von Metall­hydriden über­windet gravie­rende Nach­teile, die her­kömm­li­cher­weise mit dieser Mate­rial­klasse ver­bunden sind. Dies sei ein echter Meilen­stein in der Ent­wicklung der Wasser­stoff­speicher­techno­­logie für mobile und stationäre Anwen­dungen.

Schema des Mecha­nis­mus zur Spei­che­rung von Wasser­stoff mit Calcium­bor­hydrid unter Zu­gabe von Mag­ne­sium-Nickel-Hydrid. (Bild: HZG)

Wasserstoff kann ein klima- und umwelt­freundlicher Energie­träger sein, wenn er mit Hilfe von Wind- oder Solar­energie erzeugt wird. Anders als bei herkömm­lichen Kraft­stoffen werden bei seiner späteren Ver­wen­dung weder schäd­liches Kohlen­dioxid noch Ruß­partikel frei­ge­setzt. Für den mobi­len Ein­satz wird Wasser­stoff derzeit meist in Druck­gas­behäl­tern gespei­chert, die ein relativ großes Volumen aufweisen und den entspre­chenden Platz in den Fahr­zeu­gen ein­nehmen. Zum Laden werden zudem hohe Drücke von bis zu 900 bar benötigt. Um diesen Belas­tungen stand­halten zu können, müssen spezielle Behäl­ter aus hoch­werti­gen, nicht recycel­baren faser­­verstärkten Polymer­werk­stoffen verwen­det werden.

Wissen­schaftler des Helmholtz-Zentrums Geest­hacht arbei­ten seit Ende der 1990er Jahre an der Ent­wick­lung von Fest­stoff­speichen. „Wir unter­suchen seit vielen Jahren die Möglichkeit, komplexe Leicht­metall-Hydride als Speicher­medien zu nutzen“, erklärt Claudio Pistidda, Material­forscher am Helmholtz-Zentrum Geest­hacht und einer der Autoren der aktuellen Publi­kation.

Diese Systeme können mehr Wasser­stoff auf weniger Raum speichern als Hoch­druck­tanks. Abge­sehen davon ermög­lichen die signi­fikant niedri­geren Lade­drücke, die für Fest­stoff­speicher erforderlich sind, den Einsatz von kostengünstigeren und umwelt­freund­liche­ren Tank-Behältern in Brenn­stoff­zellen-Elektro­autos. „Eines der großen Probleme bei der Suche nach dem richtigen Material war dass sich mit jedem Laden die Speicher­kapa­zität verringert hat“, sagt Pistidda.

Dr. Claudio Pistidda an einem Diffrak­to­meter zur Prü­fung von neuen Wasser­stoff­tanks. (Bild: HZG / T. Fischer)

Ein ähnliches Problem ist bei wieder aufladbaren Batte­rien bekannt: sie verlie­ren mit stei­gen­der Zyklen­zahl kontinu­ierlich ihre Kapa­zität durch mecha­nische Span­nungen und uner­wünschte Reak­tionen an den Elek­troden, und haben daher eine begrenzte Lebens­dauer.

Nach vielen Jahren wurde jetzt in Geest­hacht ein System entwickelt, das diese Probleme mög­licher­weise lösen kann. Zum ersten Mal konnten Pistidda und seine Kollegen im Labor nach­weisen, dass Calcium­bor­hydrid unter Zugabe von Magnesium-Nickel-Hydrid den aufge­nom­menen Wasser­stoff nicht nur frei­setzen kann, sondern dass das System während der Wieder­beladung mit Wasserstoff auch in seine ursprüng­liche chemische Struktur zurück­kehrt und somit als lang­fristig nutz­barer voll­rever­sibler Speicher zur Verfü­gung steht.

„Damit haben wir einen echten Durch­bruch auf dem Weg zur Entwick­lung neu­artiger Wasser­stoff­speicher­materi­alien für mobile und statio­näre Anwen­dungen erreicht“, freut sich Dr. Claudio Pistidda. „Der entdeckte Reak­tions­weg ver­meidet uner­wünschte Seiten­reaktionen, die ansons­ten eine Wieder­beladung mit Wasser­stoff behindern. Das neue Mate­rial eröffnet damit eine hervor­ragende Per­spek­tive für langfristig nutz­bare Energie­speicher.“ (Quelle: HZG)

Referenz: N. Bergemann et al.: A Hydride Composite Featuring Mutual Destabilisation and Reversible Boron Exchange: Ca(BH4)2-Mg2NiH4, J. Mater. Chem. A, 2018, DOI: 10.1039/C8TA04748K

Link: Hydrogen Technology Centre (HTC), Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung (HZG)

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