Wasserstoff marsch!
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Von der Wasserstoffherstellung bis zur Speicherung: In den neuen Laboren des Instituts für Werkstoffforschung ist alles möglich. Zum Artikel


Kompetenzatlas Wasserstoff
2020-06-04 16-20-59 Kompetenzatlas Wasserstoff Flyer Helmholtz

Der neue Kompetenzatlas Wasserstoff fasst die umfangreichen Forschungsaktivitäten der Helmholtz-Gemeinschaft im Bereich Wasserstoff zusammen. Rund 600 Mitarbeiter an zehn Helmholtz-Zentren forschen an den Wasserstofftechnologien der Zukunft.

Broschüre "Kompetenzatlas Wasserstoff" der Helmholtz-Gemeinschaft

Flyer "Kompetenzatlas Wasserstoff" der Helmholtz-Gemeinschaft

Funktionale Werkstoffsysteme

Wasserstoff

Ein wesentlicher Baustein für die Energiewende

Waver zur Wasserstoffgewinnung

Mit speziellen Verfahren stellen die Wissenschaftler photoaktive Oberflächen her, die Lichtenergie in chemische Energie umwandeln und damit Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten. Foto: HZG/Christian Schmid

Wasserstoff gilt als aussichtsreicher Energieträger für die Zukunft. Er lässt sich im Prinzip regenerativ und klimaneutral herstellen und in einer Brennstoffzelle oder einem Verbrennungsmotor schadstofffrei in Strom umwandeln – aus dem Auspuff kommt nichts als purer Wasserdampf. Für den Straßenverkehr ist zudem interessant, dass Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb eine deutlich größere Reichweite als Elektroautos mit Batterien haben und sich schneller betanken lassen. HZG-Forscher aus dem Teilinstitut Werkstofftechnologie arbeiten an neuen Konzepten sowohl für effiziente Wasserstofftanks als auch für die klimaneutrale Herstellung des energiereichen Gases.

Speicherung in Metallhydriden


Metallhydridpulver

Metallhydridpulver. Foto: HZG/Tim Peters

Bisherige Brennstoffzellenautos speichern den Wasserstoff vorerst in massiven Tanks, die einen Druck von bis zu 700 bar aushalten müssen. Zwar lassen sie sich schnell betanken, aber der technologische Aufwand zur Komprimierung und Betankung ist beträchtlich. Deshalb geht das Helmholtz-Zentrum Geesthacht einen anderen Weg – die Speicherung des Gases in chemischen Verbindungen, sogenannten Metallhydriden. Konkret kommen Leichtmetalle wie Magnesium und Lithium zum Einsatz, versetzt mit dem Halbmetall Bor. In die Kristallgitter dieser Verbindungen kann Wasserstoff platzsparend und effizient eingebaut werden – ein guter Speicher mit prinzipiellen Sicherheitsvorteilen, der unter geringem Druck beladen werden kann. In Geesthacht gelang es, zwei dieser Hydride zu einem neuen, vielversprechenden Material zu kombinieren. Es ist in der Lage, mehr Wasserstoff pro Volumen und Gewicht zu speichern als mit Druckgastanks oder in flüssiger Form.

Wasserstofftank zu Wasserstoffspeicherung

Ein in Geesthacht entwickelter Speichertank. Foto: HZG/Julia Knop

Doch es gibt noch manche Herausforderungen: Um den Wasserstoff wieder aus dem Tank herauszubekommen, muss dieser geheizt werden. Derzeit sind die dafür nötigen Temperaturen noch zu hoch. Ideal wäre es, man könnte den Speicher mit der Abwärme der Brennstoffzelle versorgen, ohne ihn zusätzlich heizen zu müssen. Ein weiteres Problem: Die Partikel der verwendeten Metallpulver drohen mit der Zeit zu entmischen und zu zerfallen. Um das zu verhindern, wollen die Forscher die nanometerkleinen Pulverteilchen in hauchdünnen Polymerhüllen einschließen. Im Prinzip dauert das Betanken der neuen Speicher recht lange. Die HZG-Wissenschaftler konnten dieses Problem bereits hervorragend lösen. Gemeinsam mit europäischen Partnern aus Forschung und Industrie haben sie Europas größten Tank basierend auf komplexen Metallhydriden entwickelt. Er lässt sich in nur zehn Minuten bis auf 80 Prozent seiner Kapazität aufladen.

Zusammen mit Industriepartnern arbeiten die Geesthachter Wissenschaftler im Rahmen des Projektes H2HybridTank an einem kaltstartfähigen Fahrzeugtank für 5 Kilogramm Wasserstoff (mit einem Ladedruck bis 60 bar). Im Projekt HyCARE wird ein stationärer Wasserstofftank mit integrierter Wärmespeicherung für 50 Kilogramm Wasserstoff auf Basis von Metallhydriden entwickelt. Dieser soll als Blaupause für größerskalige, kompakte Wasserstoffspeicherung bei niedrigen Drücken (etwa 30 bar) dienen.

Erklärvideo: Speicherung von Wasserstoff in Metallydriden


Produktion von Wasserstoff mithilfe des Sonnenlichts


Wissenschaftler im Labor

Mit Sonnensimulatoren werden die Materialien getestet. Foto: HZG/Christian Schmid

Bei der klimafreundlichen Produktion von Wasserstoff gehen die HZG-Experten neue Wege. Statt das Gas wie üblich per Elektrolyse herzustellen, wobei Wassermoleküle durch elektrischen Strom gespalten werden, versuchen sie ihn mithilfe des Sonnenlichts direkt zu erzeugen. Das Prinzip: Das Licht trifft auf Elektroden unter einem Wasserfilm und setzt dort den Wasserstoff als kleine Bläschen frei. Damit das funktioniert, müssen die Elektroden mit einem Katalysator beschichtet sein – z. B. Eisen- oder Titanoxid. Entscheidend ist die reaktive Oberfl äche dieses Katalysators. Besonders geeignet scheint eine komplexe, schaumartige Struktur mit Poren verschiedener Größen. Das langfristige Potenzial klingt vielversprechend: Würde man sein Hausdachflächendeckend mit Modulen zur Wasserstofferzeugung bestücken, könnte man genug Treibstoff für das Familienfahrzeug gewinnen.

Mehr zum "Künstlichen Blatt"

Hinter den Kulissen der Wasserstoffforschung


Wie kann Wasserstoff sinnvoll gewonnen werden? Welche Möglichkeiten der Speicherung gibt es? Und wie können die Ergebnisse der Forschung für den Menschen nutzbar gemacht werden? - Der Film von Tim Peters gibt einen Einblick in die Wasserstoffforschung am Helmholtz-Zentrum Geesthacht.


Wir haben einige Geräte aus dem Film in einer Bildergalerie festgehalten. Unter hzg.de/h2 finden Sie die Galerie und die Erklärung zu den Geräten.

Wasserstoff als Energiespeicher


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