Wasserstoff im Metallspeicher

Wasserstoff als Energieträger und Kraftstoff für Brennstoffzellen gewinnt rasant an Bedeutung. Vor allem bei der Integration und Speicherung erneuerbarer Energien sowie der Entwicklung von CO2-freier Mobilität wird dem leichtesten Element des Universums eine bedeutende Rolle vorausgesagt. „Brennstoffzellen und Wasserstoff werden am künftigen Energiemarkt eine wesentliche Rolle spielen“, erwartet etwa Dr. Lars Röntzsch, Abteilungsleiter Wasserstofftechnologie am Fraunhofer IFAM.

Aber: Dazu braucht es eine funktionierende Wasserstoffinfrastruktur – mit sicheren und effizienten Speichermöglichkeiten. Weil Wasserstoff nur eine geringe Dichte besitzt, sind zur Speicherung relevanter Mengen unter Normaldruck und Umgebungstemperatur riesige Tanks notwendig. Daher wird Wasserstoff im Vorfeld seiner Speicherung bislang überwiegend verdichtet oder durch starke Abkühlung verflüssigt und dann in Drucktanks gelagert.

Eine andere – bislang kommerziell weniger verbreitete – Möglichkeit der Speicherung sind Metallhydridtanks, in deren Inneren das Gas in Metallscheiben chemisch gebunden wird. Eine Kompression ist dabei nicht notwendig. „Metallhydride haben im Vergleich zu Hochdrucktanks (700 bar) einen niedrigen Betriebsdruck (20–30 bar) bei vergleichbar hoher Speicherdichte, was mit Vorteilen bei der Systemsicherheit einhergeht“, erläutert Röntzsch.

Unter anderem im Bereich der Schiffsindustrie werden Metallhydride schon seit einigen Jahren eingesetzt – für den elektrischen Antrieb von Schiffen über Brennstoffzellen. „Vor dem Hintergrund der Energiewende und dem zunehmenden Einsatz von Brennstoffzellen kommt das Thema Speicherung von Wasserstoff in kompakter, sicherer Weise nun wieder stark in den Vordergrund und damit auch die Metallhydride“, weiß Röntzsch.

Vor allem die stationäre Verwendung von Metallhydriden – etwa in Tankstellen oder in der Industrie – ist nach Einschätzung des Forschers eine sehr interessante Option. Eine mögliche Anwendung ist beispielsweise die Nutzung als netzunabhängiger Energiepuffer. Für mobile Anwendungen sind Metallhydride allerdings nicht die erste Wahl – denn aufgrund der Füllung mit Legierung wiegen sie deutlich mehr als ein leerer Tank.

Das bestätigt auch Leonhard Künig, Business Development Manager beim Technologieunternehmen GKN Powder Metallurgy. In Zusammenarbeit mit dem auf Metallhydridtanks spezialisierten französischen Partner McPhy haben Künig und seine Mitarbeiter in den vergangenen beiden Jahren einen neuartigen Metalltank mit einer Eisentitanlegierung entwickelt, der aktuell in Pilotprojekten gestestet wird.

„In einem Projekt in Frankreich wird unser Speicher in einem Wasserkraftwerk mittels Elektrolyse befüllt und dann in einzelne Firmen transportiert. So eine transportable Lösung ist für den Einsatz des Speichers schon vorstellbar, jedoch aufgrund des Gewichts – speziell wenn größere Mengen gespeichert werden – ist eher eine stationäre Anwendung sinnvoll“, sagt Künig. Neben dem geringen Druck haben Metallhydridspeicher laut Künig den Vorteil, dass sie im Vergleich zu Druckspeichern mehr Wasserstoff aufnehmen, also kompakter speichern können. „Um ein Kilogramm Wasserstoff bei 700 bar zu speichern, benötigt man dafür ein Volumen von 27 Litern. Bei unserem Metallhydridspeicher sind nur 12 Liter notwendig.“

GKN verpresst für seinen Metallhydridspeicher Eisentitanpulver mit einem speziellen Verfahren. „Dabei bringen wir auch eine Wärmeleitschicht ein, die nötig ist, um eine schnelle Be- und Entladung zu gewährleisten“, erläutert Künig. Um den Wasserstoff wieder aus dem Tank herauszubekommen, muss Wärme zugeführt werden –  ein endogener Vorgang. Der große Vorteil des GKN-Speichers im Vergleich zu anderen Metallhydriden, die es in der Vergangenheit gab, ist laut Künig, dass bisherige Systeme auf ca. 350 Grad Celsius arbeiten. „Unser Material hingegen arbeitet schon zwischen 60 und 90 Grad.“