in2science #5
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Wasserstoff als Energiespeicher

Wissenschaftler am Helmholtz-Zentrum Geesthacht erforschen kompakte und energieeffiziente Wasserstoffspeicher für eine Energieversorgung von morgen.


Zur Person
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Prof. Thomas Klassen ist Leiter im Institut für Werkstoffforschung am HZG. Lesen Sie mehr über den Werkstoffforscher im Portrait Thomas Klassen


Video
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Wie der Energieträger Wasserstoff im Institut für Werkstoffforschung erforscht wird und was all das mit Thomas Klassens Auto, einer alten Isetta, zu tun hat, erfahren Sie im Video: Hinter den Kulissen der Wasserstoffforschung


Institut für Werkstoffforschung

Zum Teilinstiut Werkstofftechnologie

Was uns bewegt

Wasserstoff marsch! Neue Labore am Institut für Werkstoffforschung

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Foto: HZG/ Ralf Otzipka

Die stählerne Trommel ist auf einem grün lackierten Block montiert, armdicke Wellschläuche aus Metall fungieren als Zuleitungen. „Das ist unsere neue Hochenergiemühle“, beschreibt Martin Dornheim, Abteilungsleiter am HZG-Institut für Werkstoffforschung. „In der Trommel bringt ein Rührarm golfballgroße Stahlkugeln in Bewegung. Die stoßen mit Wucht aneinander und zerreiben das Mahlgut.“

Dabei entsteht ein überaus feines Pulver mit einer bemerkenswerten Eigenschaft: Es saugt Wasserstoff auf wie ein Schwamm, bildet also einen effizienten Speicher.

Seit zwei Jahrzehnten arbeitet das Helmholtz-Zentrum Geesthacht an diesen „Metallhydriden“. Jetzt gehen die Experten den nächsten Schritt: In einer neuen Halle, in der die Hochenergiemühle steht, werden sie größere Mengen des innovativen Wasserstoffspeichers herstellen und testen – ein wichtiger Schritt in Richtung Einsatzreife.

Wasserstoff als Energieträger

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Foto: HZG/ Tim Peters

„Wasserstoff ist der ideale Energieträger für erneuerbare Energien“, sagt Thomas Klassen, Leiter des Geschäftsbereichs Werkstofftechnologie. „Mit Wasserstoff lassen sich sowohl Windstrom und Solarenergie speichern als auch klimafreundliche Brennstoffzellen-Autos antreiben.“

Eine Herausforderung dabei ist die Speicherung des Gases. Bislang dienen dazu entweder Drucktanks, die den Wasserstoff bei 700 bar einlagern, oder aber Kältetanks, die ihn bei Temperaturen um minus 250 Grad Celsius als Flüssigkeit speichern.

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Thomas Klassen. Foto: HZG/ Ralf Otzipka

Beide Verfahren sind etabliert, haben aber ihre Nachteile: Das Fassungsvermögen von Drucktanks ist nicht allzu groß, der Umgang mit Flüssigtanks relativ aufwändig und teuer.

Metallhydride versprechen eine interessante Alternative: Es sind Metalle, die Wasserstoff in erstaunlichen Mengen aufnehmen und in sich binden können. „Ein Metallhydrid kann ungefähr doppelt so viel Wasserstoff aufsaugen wie ein gleich großer 700-bar-Drucktank“, sagt Klassen. „Das bedeutet, dass man den Tank eines Brennstoffzellenautos halb so groß bauen könnte.“

Damit der Tank nicht zu schwer wird, ist der Einsatz leichter Metalle ratsam, zum Beispiel Legierungen aus Lithium, Magnesium oder Bor. Die Schwierigkeit: Diese Legierungen nehmen Wasserstoff zwar begierig auf, geben ihn allerdings nur ungern wieder her.

Die Kombination der Metallhydride

Um an das Gas heranzukommen, braucht es normalerweise relativ hohe Temperaturen – was den Einsatz der Leichtmetallhydride lange Zeit erschwerte. Vor einigen Jahren fanden die HZG-Forscher ein passables Gegenrezept: Durch die Kombination zweier verschiedener Hydride konnten sie die Freisetzungstemperatur deutlich mindern. Dabei wird dem einen Metallatom das andere Metallatom als Reaktionspartner angeboten, beide geben dann den Wasserstoff bereitwilliger frei.

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Fein gemahlenes Metallpulver soll den Wasserstoff aufnehmen und möglichst leicht wieder freigeben. Foto: HZG/ Christian Schmid

Seit kurzem gelingt es durch diesen „Partnertausch“ sogar, den Wasserstoff bei 90 Grad Celsius aus dem Speicher freizusetzen. „Damit kann die Abwärme einer Brennstoffzelle genutzt werden“, erläutert Thomas Klassen. „Man muss also keine zusätzliche Energie mehr aufbringen, um an den Wasserstoff heranzukommen.“ Eine weitere Herausforderung: Bei jedem Betanken und jedem Entladen müssen die Reaktionspartner sich wieder trennen bzw. neu finden. Damit sie sich im Laufe der Zeit nicht zu weit voneinander entfernen, können die Hydride in poröse Polymermembranen eingeschlossen werden, die dann nur den Wasserstoff ungehindert passieren lassen. Hier arbeiten die Material- und Polymerforscher bei HZG in einem BMBF-geförderten Projekt mit Industriepartnern zusammen.

Metallhydride: Quantität und Qualität

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In dieser Versuchsanlage steckt ein Wasserstoff-Speicher auf Natrium-Alanat-Basis. Foto: HZG/ Christian Schmid

Bislang aber konnten die Geesthachter Forscher diese neuen Hydride nur in geringen Mengen erzeugen und testen – im Grammoder Milligramm-Bereich. Für größere Mengen ergeben sich zusätzliche Herausforderungen: Die Hydride müssen zuverlässig die gleiche Qualität und das gewünschte Speicherverhalten zeigen. Genau dazu dient die neue Versuchshalle. In ihr wollen die Forscher vielversprechende Metallhydride mit der neuen Hochenergiemühle in größerer Quantität erzeugen.

Mit ihrem Volumen von 100 Litern ist sie deutlich größer als jene kaffeemühlengroßen Geräte, mit denen die Wissenschaftler bislang agierten. Ausgangsstoff ist meist ein grobes Metallpulver, auch kostengünstiges Recycling-Material kann aufgearbeitet werden. Durch den zum Teil stundenlangen Mahlvorgang wird ein Nanopulver daraus – winzige Pulverpartikel bestehend aus noch winzigeren Körnchen mit einem Durchmesser zwischen 10 bis 60 Nanometern.

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Martin Dornheim. Foto: HZG/ Ralf Otzipka

„Zwischen den Pulverpartikeln gibt es viele Poren und Kanäle“, erklärt Martin Dornheim. „Auch innerhalb der Partikel zwischen den noch winzigeren Körnchen finden sich Bereiche, die weniger dicht mit Atomen gepackt sind.“ Durch diese Poren, Kanäle und mikroskopischen Bereiche kann sich der Wasserstoff schnell verteilen, um im Metall chemisch gebunden zu werden. Dazu muss das Wasserstoffmolekül an der Partikeloberfläche zunächst in Atome gespalten werden – wobei ein spezieller Katalysator hilft, der dem Metall in der Hochenergiemühle beigemischt wird. Andere Additive sind dazu da, das Vergröbern der Körner innerhalb eines Partikels zu verhindern.

„Wir können während des Mahlens die Partikelgröße überwachen“, sagt Dornheim. „Das hilft uns, den Herstellungsprozess zu verstehen und systematisch zu optimieren.“ Das entstehende Nanopulver wird anschließend zu sogenannten Pellets verpresst. Sie können zum Beispiel die Form eines Eishockey-Pucks haben, die sich in flexiblen Konfigurationen zu einem Tank stapeln lassen.

Um die Prototypen auf Herz und Nieren zu prüfen, steht vor der Halle eine ebenfalls neue Testapparatur – ein großer weißer Tank neben zwei massiven Betonwänden. Hier lassen sich die Speicher immer wieder füllen und entladen. Dadurch können die Experten herausfinden, wie groß ihr Fassungsvermögen ist und ob sie ihre Eigenschaften auch ein ganzes Autoleben lang gewährleisten können. Anfang 2018 sollen die Experimente starten. In einem der Projekte tun sich die HZG-Forscher mit einem großen Automobilhersteller zusammen. Das Ziel: ein Brennstoffzellen-Versuchsfahrzeug mit Metallhydrid-Speicher an Bord.

„Auf lange Sicht wollen wir einen Tank realisieren, der nur 100 Kilogramm wiegt und fünf Kilogramm Wasserstoff speichern kann“, hofft Dornheim.

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Feststofftanks und Brennstoffzelle werden im HZG-Wasserstoff-Labor erforscht. Foto: HZG/ Christian Schmid

„Damit könnte ein Brennstoffzellenauto 500 Kilometer klima- und umweltfreundlich fahren“. Aus dem Auspuff nämlich kämen weder CO2 noch Stickoxide und Feinstaub, sondern nichts als pures Wasser. Zu einer guten Klimabilanz gehört allerdings auch eine CO2-neutrale Erzeugung des Wasserstoffs. Derzeit läuft sie über sogenannte Elektrolyseure. Das sind Aggregate, die mit Hilfe von Strom Wassermoleküle in ihre Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff spalten. „Verwendet man Solarzellen, um den Elektrolyseur zu betreiben, hat man den Wasserstoff klimaneutral erzeugt“, sagt Mauricio Schieda, Gruppenleiter am HZG.

„Wir arbeiten an einer eleganteren Methode, bei der das Sonnenlicht direkt zur Spaltung von Wasser verwendet wird.“

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Mauricio Schieda. Foto: HZG/ Ralf Otzipka

Die Vision: eine neue Art von Solarmodulen fürs Hausdach, die genug Wasserstoff generieren, um den Bedarf der Bewohner zu decken.

Basis der neuen Technologie sind Halbleitermaterialien, die – ebenso wie eine gewöhnliche Solarzelle – Licht absorbieren und dadurch elektrische Ladungen gewinnen. Doch anders als bei einer Solarzelle sind diese Halbleiter in einen Elektrolyten getaucht – eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit, etwa ein Salz oder eine Säure. „Durch den Einfluss des Elektrolyten entsteht ein elektrisches Feld, das die entstandenen Ladungen voneinander trennt“, erläutert Schieda. „Diese Ladungen nutzen wir dazu, Wassermoleküle zu spalten und Wasserstoff zu erzeugen.“

Derzeit experimentieren die Forscher mit Halbleitern wie Titandioxid, Eisenoxid oder Wolframoxid. Schieda zeigt auf ein briefmarkengroßes Metallstückchen. „Das ist eine Titanplatte, darauf wurde mit einem speziellen Spritzverfahren in Zusammenarbeit mit der Helmut-Schmidt-Universität Hamburg eine dünne Schicht aus Wolframoxid aufgebracht, sie misst nur wenige Mikrometer.“ Diese Elektrode testen die Wissenschaftler dann in einer Messzelle und schauen nach, wie viel Wasserstoff sie unter Lichteinfluss erzeugt.

„Elektroden, die auf solchen Metalloxiden basieren, haben ein großes Potenzial, und die Materialien sind preisgünstig und stabil“, erläutert Schieda. Langfristig sollen noch effizientere Halbleiter und Photokatalysatoren zum Einsatz kommen, die die Spaltung des Wassermoleküls entscheidend beschleunigen. Zusätzlich erforschen die HZG-Wissenschaftler gemeinsam mit der TU Hamburg die Möglichkeiten von neuartigen Metamaterialien, um noch mehr von dem einfallenden Sonnenlicht nutzen zu können.

„Das Feld es noch sehr jung“, betont Mauricio Schieda. „Es gibt noch viel zu lernen und zu erforschen, bevor diese Technologie praktisch eingesetzt werden kann.“ Die Forschungsmöglichkeiten in Geesthacht wurden deutlich erweitert: Die Gruppe von Schieda hat jüngst ihre Räumlichkeiten in einem nagelneuen Laborgebäude bezogen. Sie bieten deutlich mehr Platz, um die Elektroden herzustellen, zu strukturieren und genauestens zu analysieren.

Die Perspektiven sind vielversprechend, meint Institutsleiter Thomas Klassen. „Mit einer photoelektrochemischen Zelle sind theoretisch bis zu 40 Prozent Wirkungsgrad möglich“, sagt er. Könnten die Forscher tatsächlich eine solche Effizienz erreichen, sollte ein mit Modulen bestücktes Hausdach reichen, eine Familie komplett mit Wasserstoff zu versorgen – gespeicherte Sonnenenergie sowohl für den Haushaltsstrom als auch für die nachhaltige Elektromobilität mit Brennstoffzellenauto.


Autor: Frank Grotelüschen
Erschienen in der in2science #5 (Dezember 2017)