Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/energiespeicherung-wasserstoff-soll-in-oel-gespeichert-werden-1709-129820.html    Veröffentlicht: 04.09.2017 09:05    Kurz-URL: https://glm.io/129820

Energiespeicherung

Wasserstoff soll in Öl gespeichert werden

Forschern ist es gelungen, Wasserstoff in einem wiederverwendbaren Öl zu speichern, das wie normaler Kraftstoff getankt werden kann.

Eine Forschergruppe aus Jülich entwickelt seit einigen Jahren flüssige Trägerstoffe, die Wasserstoff speichern können. Sie sollen Wasserstoff aufnehmen und später nur mit Hilfe eines Katalysators wieder abgeben können. Dabei sind sie chemisch stabil und können wie andere Kraftstoffe in normalen Tanks gelagert und transportiert werden. Die neueste Entwicklung ist ein Katalysator, der sowohl Wasserstoff einlagern als auch freisetzen kann. Bisher waren dafür zwei unterschiedliche Katalysatoren nötig.

Der Trägerstoff erreicht eine Energiedichte, die etwa einem Sechstel derjenigen von Benzin oder Diesel entspricht. Bisher wird Wasserstoff in Gastanks mit etwa 700 Bar Druck befördert. Aber selbst bei so hohen Drücken fassen die Tanks nur etwa 70 Gramm Wasserstoff pro Liter. Im Power2Gas-Verfahren lässt sich Wasserstoff zwar mit Kohlendioxid (CO2) zu Methan umwandeln, das beim gleichen Druck eine viel höhere Energiedichte hat. Aber dieses Verfahren ist nur so CO2-neutral wie die Quelle, aus der das CO2 ursprünglich stammt. Ansonsten muss es unter großem Aufwand aus dem Abgas der Verbrennung wieder gewonnen werden. Ein flüssiger, wiederverwendbarer Wasserstoffträger hätte keines dieser Probleme.

Die Idee der Forscher basiert darauf, dass einige Moleküle in zwei Formen existieren, die sich nur durch zusätzliche Wasserstoffatome unterscheiden. Bei der Umwandlung von der einen Form in die andere können sie Wasserstoff aufnehmen oder abgeben, ohne dabei verbrannt oder auf andere Weise verändert zu werden. Sie stehen also sofort wieder für die umgekehrte Reaktion zur Verfügung.

Wasserstoff kann an Ringmoleküle angelagert werden

Denkbar sind solche Reaktionen bei ringförmigen Kohlenwasserstoffen wie Benzol. Benzol besteht aus sechs ringförmig angeordneten Kohlenstoffatomen, die mit jeweils einem Wasserstoffatom außerhalb des Rings verbunden sind. Es gibt noch ein ganz ähnliches Molekül, das ebenfalls ringförmig ist. Cyclohexan besteht ebenso aus sechs Kohlenstoffatomen, die aber mit jeweils zwei Wasserstoffatomen verbunden sind. Es ist zumindest vorstellbar, Benzol mit Wasserstoff reagieren zu lassen, um daraus Cyclohexan zu gewinnen und anschließend die Reaktion wieder umzukehren und den Wasserstoff wieder freizusetzen.

In der Praxis ist Benzol für die Aufgabe nicht geeignet. Die Forscher in Jülich mussten einen Stoff finden, der Wasserstoff mit möglichst wenig zusätzlicher Energie aufnimmt. Außerdem muss er chemisch möglichst stabil sein und sich bei keiner der beiden Reaktionen in andere Stoffe umwandeln. Schließlich muss ein Katalysator entwickelt werden, der genau diese Reaktionen unter annehmbaren Bedingungen überhaupt möglich macht. Außerdem muss der Stoff auch bei hohen Temperaturen flüssig bleiben, um ihn nicht aufwendig vom entstehenden Wasserstoffgas trennen zu müssen.

Drei Ringe sind ideal

Die Wahl der Forscher fiel auf Dibenzyltoluol (DBT oder H0-DBT), eine Verbindung aus drei Benzolringen, die 18 Wasserstoffatome aufnehmen kann, das entspricht 6,2 Prozent des eigenen Gewichts. Mit dem Wasserstoff heißt es Perhydrodibenzyltoluol, wird aber zu H18-DBT abgekürzt. DBT wird bisher hauptsächlich als Wärmeträgeröl benutzt, das bis 350 Grad Celsius aufgeheizt werden kann, ohne zu verdampfen oder sich zu zersetzen.

Theoretisch können aus einem Kilogramm H18-DBT Wasserstoff 2,45 Kilowattstunden Energie gewonnen werden, die dann in einer Brennstoffzelle oder einem Verbrennungsmotor in Strom oder Arbeit umgewandelt werden. Das ist immerhin rund ein Fünftel der Energiedichte herkömmlicher Kraftstoffe. Aber die chemischen Voraussetzungen für das Verfahren sind nicht ideal, weshalb die Forscher noch viel Entwicklungsarbeit leisten müssen.

Die Freisetzung von Wasserstoff braucht Energie

Ein unvermeidbares Problem ist, dass 0,56 Kilowattstunden Energie benötigt werden, um den Wasserstoff freizusetzen. Dafür wird die gleiche Energiemenge umgekehrt bei der Einlagerung des Wasserstoffs wieder frei. Es geht also Energie verloren, wenn die freiwerdende Energie bei der Einlagerung nicht genutzt wird. An diesen Tatsachen kann die Entwicklungsarbeit der Forscher nichts ändern. Sie können nur versuchen, die Nutzung der Energie möglichst einfach zu machen.

Dafür wurde einiges getan. Im ursprünglichen Verfahren wurde der Wasserstoff in einem Reaktor mit eigenem Katalysator bei etwa 150 Grad Celsius eingelagert und in einem anderen Reaktor mit einem anderen Katalysator bei etwa 250 Grad Celsius freigesetzt. Inzwischen konnte ein Katalysator gefunden werden, der für beide Reaktionen geeignet ist.

Höhere Temperaturen helfen, Abwärme zu nutzen

Viel wichtiger ist aber, dass die Einlagerung des Wasserstoffs jetzt bei höheren Temperaturen von etwa 310 Grad Celsius stattfinden kann. Normalerweise tendieren solche exothermen Reaktionen dazu, nur bei niedrigen Temperaturen vollständig abzulaufen. Um dem entgegenzuwirken, ist höherer Druck notwendig. Bei niedrigem Druck läuft die Reaktion mit dem gleichen Katalysator in die entgegensetzte Richtung ab, es wird Energie aufgenommen und gibt Wasserstoff freigegeben.

Tatsächlich kann die Freisetzung des Wasserstoffs sogar bei niedrigeren Temperaturen stattfinden als die Einlagerung. Das ist nicht ideal für die chemischen Reaktionen, macht es dafür aber zumindest denkbar, die Reaktionswärme aus der Einlagerung in einem Wärmespeicher zu speichern und zum Teil für die Freisetzung wieder zu nutzen. Aber selbst ohne so einen Speicher lassen sich mehr Verwendungsmöglichkeiten finden, wenn die Reaktionsenergie bei 310 Grad Celsius abgegeben wird. Die Temperatur der Abwärme kann jederzeit durch Zugabe von mehr Kühlmittel gesenkt werden, sie zu erhöhen, ist nicht so leicht.

Das Verfahren ist noch nicht ausgereift

Ausgereift ist das Verfahren aber noch immer nicht. Die hohen Temperaturen bedeuten auch, dass es leichter zu ungewollten Nebenreaktionen kommen kann, die das DBT langfristig zersetzen oder den Platinkatalysator beeinträchtigen. Nach vier Zyklen wurden etwa 1,2 Prozent des DBT zersetzt. Außerdem nimmt die chemische Reaktion zur Einlagerung und Freisetzung des Wasserstoffs noch viel Zeit in Anspruch. Die Einlagerung dauert vier Stunden. Die Freisetzung von 80 Prozent des eingelagerten Wasserstoffs dauert sogar 20 Stunden. Eine weitere Optimierung des Verfahrens könnte einen Teil der Speicher- und Transportprobleme von Wasserstoff lösen.

Was sie dagegen nicht lösen kann, sind die inhärenten Effizienzprobleme der Nutzung von Wasserstoff. Je nach verwendetem Verfahren gehen schon bei der Elektrolyse von Wasser etwa 20 bis 40 Prozent der Energie verloren. Wobei flexible Systeme mit PEM-Elektrolyseuren zur Ausnutzung von Leistungsspitzen im Netz deutlich höhere Verluste haben als andere Systeme, die aber mit möglichst konstanter Leistung betrieben werden müssen. Noch mal rund 50 Prozent der verbliebenen Energie gehen in der Praxis beim Betrieb von Brennstoffzellen verloren.  (fwp)


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