Wasserstoff fünf Mal schneller tanken

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Helmholtz-Forscher entwickeln neues Konzept

Wasserstoff ist zwar ein sauberer Fahrzeug-Treibstoff, das Speichern des Gases gestaltet sich aber noch schwierig. Materialforscher des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG), entwickelten jetzt Wasserstoff-Tanks auf Leichtmetall-Basis. Im Fachmagazin Nature Scientific Reports veröffentlichen sie jetzt ein neues Konzept, mit dem diese erstmals bei unter 180 Grad Arbeitstemperatur fünf Mal schneller beladen werden könnten.

Wasserstoff-Auto der NOW – Feststoffspeicher auf Magnesium-Stickstoffbasis könnten eine Alternative zu Druckgastanks werden; daran forschen die Wissenschaftler im HZG – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify

Wasserstoff bildet die perfekte Lösung für eine CO2-neutrale Mobilität, wenn das Gas zum Beispiel durch Strom aus Windkraft erzeugt wird. Denn mit Wasserstoff im Tank entsteht kein Gramm Kohlendioxid, sondern nur Wasserdampf. Einer der begrenzenden Faktoren für den Einsatz von Wasserstoff ist das Fehlen eines effizienten Speichersystems. Bei den heutigen Brennstoffzellenautos wird Wasserstoff in Druckgastanks mit bis zu 700 Bar Druck gefüllt. Das ist teuer und technisch anspruchsvoll. Eine vielversprechende Alternative bilden Feststoffspeicher auf Magnesium-Stickstoffbasis.

Sogenannte Magnesiumhydride als Speicher für Wasserstoff werden seit einigen Jahren im Helmholtz-Zentrum Geesthacht erforscht. Der Vorteil gegenüber herkömmlichen Drucktanks: Bei gleichem Volumen speichern diese mehr Wasserstoff und damit mehr Energie. Ein Beispiel: Mit fünf Kilogramm Wasserstoff fährt ein Brennstoffzellen-PKW circa 500 Kilometer weit. Für fünf Kilo Wasserstoff benötigt ein Hochdrucktank ein Volumen von 122 Litern, ein Tank auf Basis von Magnesiumhydrid benötigt dafür ein Volumen von nur 46 Litern. Allerdings werden zum Beladen hohe Temperaturen von rund 300 Grad Celsius benötigt.

Kalium und Titanat wurden zu winzigsten Nanopartikeln gemahlen

Um diese Temperatur zu reduzieren, fügen die Forscher Zusatzstoffe hinzu, zum Beispiel Stickstoff. Claudio Pistidda, Materialforscher am Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Abteilung „Nanotechnologie“ und einer der Autoren der aktuellen Publikation, erklärt: „Leider führt dies oft zu einer massiven Reduzierung der Wasserstoff-Aufnahmekapazität des Systems. Wir haben daher ein neues Hydridkomposit-System entwickelt, das sich bei geringen Arbeitstemperaturen von unter 180 Grad sehr schnell beladen lässt.“

Herkömmlich liegt der Tankvorgang bei den Magnesium-Stickstoff basierten Hydridsystemen bei rund 30 Minuten für fünf Kilogramm Wasserstoff. Den HZG-Wissenschaftlern ist es jetzt gelungen, zwei Zusatzstoffe zu kombinieren, die das Beladen und Entladen des Tanks drastisch beschleunigen: Das Element Kalium und Lithium-Titanat-Oxid. Die Wissenschaftler haben dafür in Spezialmühlen Kalium und Titanat gemeinsam mit dem Magnesium-Stickstoff-System zu winzigsten Nanopartikeln gemahlen. Dadurch vergrößert sich die Oberfläche der einzelnen Partikel, wodurch diese mehr Wasserstoff binden.

HZG-Doktorand Gökhan Gizer hat unzählige Experimente für die Studie durchgeführt. Ihm gelang jetzt nach drei Jahren der Durchbruch: Die Materialforscher konnten in dieser Studie zeigen, dass Kalium-Lithium-Titanat-Nanopartikel als Katalysatoren das Beladen mit Wasserstoff im Magnesium-Stickstoff-System beschleunigen. Gökhan Gizer erklärt: „Wir haben damit ein System erfunden, durch das der Tankvorgang etwa fünf Mal schneller abläuft als ohne Kalium-Lithium-Titanat.“

Generell hängen das Laden und Entladen des Metallhydridspeichers vom Wärmetransport, von der Bewegung des Gases durch das Hydrid sowie die Reaktionsgeschwindigkeit mit dem Hydrid ab. Diese Vorgänge im Detail zu kennen, bildet die grundlegende Forschung der Wissenschaftler. Eine Grundlagenforschung mit echtem Mehrwert: „Mit den Ergebnissen dieser Studie kommen wir einen großen Schritt weiter in Richtung konkurrenzfähige Speicher“, erklärt Pistidda.

Die Wissenschaftler in der Abteilung „Nanotechnologie“ arbeiten nun an dem Ziel, die Reaktionskinetik dieser neuen Materialien zu optimieren und für den technischen Einsatz im Fahrzeug zu qualifizieren.

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