Obwohl Wasserstoff aufwändig hergestellt werden muss, ist er – neben E-Autos mit Batterieantrieb – eine Lösung, um Autofahren CO2-neutral zu machen. Voraussetzung ist allerdings, dass der Strom zur Herstellung und für den Transport des Wasserstoffs zu den Tankstellen aus erneuerbaren Energien erzeugt wird. Ein Fahrzeug mit Wasserstoff im Tank stößt nämlich kein Kohlendioxid aus wie Benzin- oder Dieselautos, sondern nur Wasserdampf. Ein Problem, das den Einsatz von Wasserstoff erschwert ist, dass es kein effizientes Systems zur Speicherung gibt. Bei den aktuellen Autos wird Wasserstoff mit bis zu 700 Bar Druck in Druckgastanks gefüllt. Das ist nicht nur teuer sondern auch technisch anspruchsvoll. Eine Alternative könnten Feststoffspeicher auf Magnesium-Stickstoffbasis sein.
Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) erforschen seit Jahren sogenannte Magnesiumhydride als Speicher für Wasserstoff. Diese speichern gegenüber herkömmlichen Drucktanks bei gleichem Volumen mehr Wasserstoff und damit auch mehr Energie. Das heißt: Ein Hochdrucktank benötigt für fünf Kilo Wasserstoff ein Volumen von 122 Litern. Ein Tank auf Basis von Magnesiumhydrid dagegen nur von 46 Litern. Mit fünf Kilo Wasserstoff kommt ein Brennstoffzellen-Auto etwa 500 Kilometer weit. Der Nachteil dieses Konzepts ist allerdings, dass Temperaturen von rund 300 Grad zum Beladen nötig wären.
Diese Temperatur konnten die Forscher fast halbieren, indem sie Zusatzstoffe wie beispielsweise Stickstoff hinzufügten. Dr. Claudio Pistidda, Materialforscher am Helmholtz-Zentrum Geesthacht, Abteilung „Nanotechnologie“ 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.“
Tanken innerhalb von Minuten
Um fünf Kilo Wasserstoff zu tanken, brauchte man bei den Magnesium-Stickstoff basierten Hydridsystemen bisher rund eine halbe Stunde. Dank zweier Zusatzstoffe – Kalium und Lithium-Titanat-Oxid – haben es die HZG-Wissenschaftler nun geschafft, diesen Vorgang um ein Vielfaches zu beschleunigen. Dafür haben sie Kalium und Titanat in Spezialmühlen gemeinsam mit dem Magnesium-Stickstoff-System zu winzigsten Nanopartikeln gemahlen, wodurch sich die Oberfläche der einzelnen Partikel vergrößert und diese mehr Wasserstoff binden.
„Wir haben damit ein System erfunden, durch das der Tankvorgang etwa fünf Mal schneller abläuft als ohne Kalium-Lithium-Titanat“ , erklärt HZG-Doktorand Gökhan Gizer, der für diese Studie im Laufe von drei Jahren unzählige Experimente durchgeführt hat. Am Ende konnten die Forscher zeigen, dass das Beladen mit Wasserstoff im Magnesium-Stickstoff-System durch Kalium-Lithium-Titanat-Nanopartikel als Katalysatoren beschleunigt werden kann.
Generell würden das Laden und Entladen des Metallhydridspeichers vom Wärmetransport, von der Bewegung des Gases durch das Hydrid sowie der Reaktionsgeschwindigkeit mit dem Hydrid abhängen, erklären die Wissenschaftler. Diese Vorgänge im Detail zu kennen, bilde die Grundlage ihrer Forschung. Eine Grundlagenforschung mit echtem Mehrwert: „Mit den Ergebnissen dieser Studie kommen wir einen großen Schritt weiter in Richtung konkurrenzfähige Speicher“, erklärt Dr. Claudio Pistidda. Als nächstes wollen die Wissenschaftler die Reaktionskinetik dieser neuen Materialien optimieren und für den technischen Einsatz im Fahrzeug qualifizieren.
Die Studie der HZG-Forscher wurde im Fachmagazin Nature Scientific Reports veröffentlicht.
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