Wasserstoffspeicher

Forschung mit Synchrotronstrahlung zur Speicherung von Wasserstoff


 © Andreas Stierle/DESY

Wasserstoff speichern

In der Energiewende wird Wasserstoff eine zentrale Rolle als Energieträger zugeschrieben, denn er ist einfach herzustellen, und auch Lagerung und Transport sind technisch gut lösbar. Bei der Umwandlung in Strom werden keine Abgase freigesetzt. Daher gilt es nun, möglichst effiziente und praktische Lösungen für die Speicherung von Wasserstoff zu finden. Es gibt dafür verschiedene Möglichkeiten: Speicherung unter Druck, gekühlt (flüssig) oder beides gleichzeitig, in Feststoffen wie Metallhydriden, adsorptiv in porösen Materialien oder chemisch gebunden in flüssigen organischen Wasserstoffträgern (Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC). Welche Technik sinnvoll ist hängt vor Verwendung ab, zum Beispiel ob ein leichter und platzsparender Speicher gebraucht wird oder das Gewicht keine große Rolle spielt. 

Forschungsziele

Ein Wasserstoffspeicher soll möglichst viel Wasserstoff aufnehmen, ihn stabil halten und bei Bedarf leicht wieder abgeben. Um diese Schritte effektiv zu machen, sollten sie möglichst wenig Energie benötigen. Jede Art der Speicherung hat eigene Vorteile, aber auch Begrenzungen, die überwunden werden sollen: Der Energieaufwand für die Komprimierung auf 700 bar liegt bei ca. 12 % des Energieinhaltes des Wasserstoffs, und noch deutlich höher bei der Flüssigwasserstoffspeicherung, für die starke Kühlung nötig ist. Auch adsorptive Speicherung durch Anlagerung an die Oberfläche eines hochporösen Materials erfordert Kühlung, und Metallhydride, die besonders viel Wasserstoff aufnehmen können, müssen für dessen Freisetzung erhitzt werden. Daher wird daran geforscht, Materialien, Strukturen und Prozesse zu finden, die wenig Kühlung oder Erwärmung erfordern. Auch die Nutzung der Reaktionsenergie durch eine intelligente Kombination von Verfahren kann helfen.

Wasserstoffspeicherung mit Synchrotronstrahlung erforschen

Synchrotronstrahlung erlaubt die strukturelle Charakterisierung von Materialien auf atomarer oder molekularer Ebene. Deshalb bietet sie besondere Möglichkeiten bei der Untersuchung von Materialien, die Wasserstoff speichern. In Metallhydriden geht es zum Beispiel darum, den Wärmetransport, die Bewegung des Gases durch das Hydrid und die Reaktionsgeschwindigkeit mit dem Hydrid genau zu kennen. Durch Experimente mit Synchrotronstrahlung wurde auch klar, warum die Kombination zweier verschiedener Hydride die Freisetzungstemperatur herabsetzen kann. Besonders hohe Auflösung braucht man bei der Untersuchung von Nanopartikeln. Vielversprechend ist zum Beispiel der Einsatz von Palladium, das bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck etwa das 900-fache seines eigenen Volumens an Wasserstoffgas aufnehmen kann - allerdings nur sehr schwer wieder hergibt. Bleibt es aber an der Oberfläche ultrakleiner Palladium-Nanopartikel mit einem Iridiumkern haften, lässt es sich einfach bei Raumtemperatur wieder lösen. Die Wirkungsweise von Katalysatoren steht hingegen bei der Weiterentwicklung der LOHC-Technologie im Vordergrund, und hier wird Synchrotronstrahlung eingesetzt, um Dehydrierungs- und Katalysatorabbauprozesse auf atomarer Ebene zu untersuchen.

Forschungslandschaft

Die Helmholtz-Gemeinschaft betreibt Großforschungsanlagen, zu denen auch die Synchrotronstrahlungsquellen in Deutschland gehören. Daher ist die Forschung mit Synchtonstrahlung an Energiematerialien dort besonders gebündelt, findet aber in ganz Deutschland ebenso an Universitäten, anderen Forschungsinstitutionen und in Unternehmen statt. Im Kompetenzatlas Wasserstoff der Helmholtz-Gemeinschaft sind die die unterschiedlichen Forschungsschwerpunkte der Helmholtz-Zentren übersichtlich dargestellt.

Das Forschungszentrum Jülich ist ein Zentrum der Wasserstoffforschung, in dem nicht nur die Speicherung von Wasserstoff, sondern auch dessen Verteilung, Produktion, Nutzung und die Systemanalyse im Mittelpunkt stehen. Im Living Lab Energy Campus des FZ Jülich ist die Wasserstofftechnologie Teil eines intelligenten Energiesystems, das in Energie-Demonstratoren flüssige und gasförmige Wasserstoff-Technologien, Lithium-Ionen-Batterien und Photovoltaik-Systeme über intelligente Steuerungsprogramme miteinander vernetzt. Darüber hinaus wird insbesondere die LOHC-Technologie im neuen Institut für nachhaltige Wasserstoffwirtschaft (INW) weiterentwickelt.

Die Grundlagen dafür haben Forschende in ganz Deutschland gelegt, insbesondere an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). Als Kooperation des Forschungszentrums Jülich, des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg wurde 2013 das Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN) gegründet. Dort sollen die bestehenden Aktivitäten im Bereich der Materialcharakterisierung weiter verstärkt werden - unter Einsatz von modernen Verfahren der Röntgenspektroskopie am Synchrotron.

Auch am Helmholtz-Zentrum hereon werden Synchrotronstrahlungsmethoden verwendet, um Energiematerialien zu erforschen. Die Abteilung „Materialdesign“ des Instituts für Wasserstofftechnologie entwickelt zum Beispiel innovative Funktionsmaterialien auf der Basis von Metallhydriden und Leichtmetallhydrid-Kompositen.

Die Wirkungsweise von Katalysatoren, die bei der Speicherung von Wasserstoff verwendet werden, wird am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) sowie im neu gegründeten CatLab erforscht, ebenfalls unter Einsatz von Synchrotronstrahlung. Im Energy Lab 2.0 können die Wissenschaftler des KIT Wasserstoff und damit zusammenhängenden Prozesse erforschen und direkt erproben.

Beispiele aus der Forschung

Um grundlegende Strukturen und Prozesse zu verstehen, muss man genau hinschauen - und zwar nicht nur an einer Stelle, sondern es geht darum, ein Material als Ganzes zu begreifen. Hier liegt die Stärke von Streumethoden, wie sie am Synchrotron verwendet werden. Sie entlocken den Speichermaterialien ihre tiefsten Geheimnisse und helfen damit, effektivere Verfahren zu entwickeln. Im Folgenden sind einige Beispiele aus der Forschung aufgelistet:

Schlagwort: Wasserstoffspeicherung. Solarify, Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion

Mikrometerfeine Körnchen, mit Polymeren umhüllt. Hereon, 09.02.2022

Nano-Pralinen speichern Wasserstoff. DESY / Univ. Köln, 27.12.2021

Tanken von Wasserstoff jetzt fünf Mal schneller. Hereon / IFW Dresden, DESY et al., 07.01.2020

Wasserstoff marsch! Neue Labore am Institut für Werkstoffforschung. Hereon, Dez. 2017

Synchrotron radiation X-ray powder diffraction techniques applied in hydrogen storage materials - A review. Honghui Cheng et al., Progress in Natural Science: Materials International, Vol. 27/1, 2017