Wasserstoff für Fahrzeuge
Die Speicherung von Wasserstoff in Fahrzeugen ist für Forscher eine harte Nuss. Bisher ist die 700-bar-Technik das Maß aller Dinge. Doch nun haben Forscher der Uni Erlangen eine chemische Speicherlösung entwickelt, mit deren Hilfe Wasserstoff in der herkömmlichen Tank- und Pipelinelogistik transportiert werden kann. Sie könnte sich als entscheidender Schritt zu einer dezentralen Energieversorgung entpuppen.
Wäre Wasserstoff (H2) nicht so flüchtig, würden Autos längst damit fahren. Mit 37 kWh/kg ist sein Heizwert dreimal höher als der von Superbenzin. Doch um ähnlich viel Energie wie ein Benzintank zu speichern, bräuchte es einen Zeppelin voll Wasserstoff. Weil kein Zeppelin ins Auto passt, hieß die Lösung bisher: verdichten.
Bei 700 bar können knapp 40 kg Wasserstoff in 1 m3 gespeichert werden. Die Wasserstofftanks von Brennstoffzellen-Pkw fassen etwa ein Zehntel davon, was für Reichweiten um 350 km reicht. Für die Langstrecken-Elektromobilität gilt Wasserstoff deshalb bei diversen Autoherstellern als gesetzt. Doch hinter vorgehaltener Hand berichten Experten von Problemen mit Verdichtern an Tankstellen und schleichendem Entweichen des H2 aus den Hochdrucktanks. Auch deren Kosten machen den Autoherstellern zu schaffen – ganz zu schweigen vom rudimentären Tankstellennetz.
Carbon-Nanotubes entpuppen sich als schlechte Speicher für Wasserstoff
Auf der Suche nach Alternativen haben sich Forscher in den letzten 20 Jahren viel einfallen lassen. In den 1990er-Jahren wurden Carbon-Nanotubes (Kohlenstoffröhrchen im Nanomaßstab) hoch gehandelt. An ihnen sollten Wasserstoffatome andocken und dann im Fahrzeugbetrieb gelöst werden. Doch ihre Kapazität blieb weit hinter damaligen Prognosen zurück: Statt zwei Drittel speichern sie 2 % ihres Eigengewichts an Wasserstoff.
Auch andere Ansätze, die flüchtigen Atome per Adhäsion zu bändigen, brachten noch keinen Durchbruch. Max-Planck-Forscher experimentieren mit Metall-Organischen Gerüststrukturen (MOFs), in deren Poren sich H2 anlagert. Zwar übertrifft ihre Kapazität die der Nanotubes um ein Dreifaches, doch für den Einsatz in Autos reicht das nicht. Auch Metallhydride oder aktivkohleartige Materialien scheitern noch an zu geringer Speicherkapazität, zu fester Bindung des H2 oder an sicherheitskritischen exothermen Tankvorgängen.
Forscher der Universität Erlangen um den Verfahrenstechniker Prof. Wolfgang Arlt und den Chemiker Prof. Peter Wasserscheid haben nun einen Ansatz entwickelt, um H2 chemisch so zu binden, dass er sich unter Alltagsbedingungen bei Normaldruck handhaben lässt. Gleichzeitig ist die Verbindung locker genug, um sich an Bord von Fahrzeugen ohne Probleme lösen zu lassen. Der Schlüssel dazu heißt Carbazol, oder exakt N-Ethylcarbazol, das durch Anreicherung mit H2 zu energiereichem Perhydro-Carbazol wird.
Neue Entwicklung macht Wasserstoff unter Normaldruck verfügbar
„Die Hydrierung erfolgt unter Druck und erhöhter Temperatur exotherm“, berichtete Arlt, wofür man einen eigens entwickelten Katalysator nutze. Im Fahrzeug wird H2 dann bei Normaldruck und erhöhter Temperatur mit einem anderen Katalysator endotherm aus der Carbazol-Verbindung gelöst und kann in Brennstoffzelle oder Verbrennungsmotor genutzt werden. „Die Endothermie ist ein zentrales Sicherheitskriterium“, betont er.
Übrig bleibt das energiearme N-Ethylcarbazol, das an der Tankstelle aus dem Fahrzeugtank abgesaugt und wieder hydriert wird. „Der Kreislauf wird nicht mehr über die Atmosphäre, sondern über einen Stoffkreislauf geschlossen“, so Arlt. Der Tanklaster, der Perhydro-Carbazol liefere, könne das „entladene“ N-Ethylcarbazol zum nächsten Wind- oder Solarpark liefern, wo es den unstet erzeugten Strom puffern und bei Flaute zurück ins Netz speisen könne. Zudem könne die Hydrierung Leistungspeaks der Anlagen abschöpfen und zur Netzstabilisierung beitragen. Abnutzung wie bei Batterien drohe dabei nicht.
Zu den Vorteilen kommt die Energiedichte des Perhydro-Carbazols, das laut Arlt unter Normaldruck (1,01325 bar) rd. 50 % mehr H2 je 1 m3 enthält als ein 700-bar-Tank und mit 1,9 kWh/kg fast 10-mal mehr Energie speichert als heute verfügbare Li-Ion-Akkus. Zwar ist der Heizwert von Sprit mehr als sechsmal so hoch. Doch weil Brennstoffzellen weit effizienter arbeiten als Verbrennungsmotoren, lassen sich mit Carbazol Reichweiten konventioneller Pkw schon mit verdoppeltem Tankvolumen realisieren.
Ein Perpetuum Mobile haben die Erlanger aber nicht geschaffen: Um aus energiearmem N-Ethylcarbazol das energiereiche Perhydro-Carbazol mit 1,9 kWh/kg Heizwert zu erzeugen, müssen sie dem Prozess 2,8 kWh zuführen. „Die Differenz fällt als Abwärme an, die sich möglicherweise lokal nutzen lässt“, erklärt Arlt. Zwar ist das besser, als überschüssigen Windstrom in Widerstände zu schicken oder die Anlagen bei zu hoher Netzauslastung abzuschalten.
Erlanger Wissenschaftler wollen weitere, alternative Wasserstoff-Speicher entwickeln
Die Wissenschaftler geben sich mit dem bisher Erreichten jedoch nicht zufrieden. „Wir arbeiten an alternativen chemischen Verbindungen und an der Optimierung unserer Katalysatoren und Prozesse“, erklärte Arlt. Zudem seien Forschungen eines unabhängigen Instituts geplant, das ökologischen Fragen rund um das neue Speichermedium klären soll. „Ein Lebensmittel wird Carbazol nicht, so sehr wir uns das alle wünschen“, räumte er ein. Doch allein sein niedriger Dampfdruck löse viele Probleme.
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