Arbeiten am Tank der Zukunft
Der Wissenschaftler Dr. Arndt Remhof forscht am HZB nach neuen Feststoffen zur Speicherung von Wasserstoff. Damit soll die aufwändige Verflüssigung des Gases für mobile Lösungen ersetzt werden.
Dieses Versuchsmodell wurde bereits 2005 im Rahmen
der "Langen Nacht der.Wissenschaften" am HZB ausgestellt.
Wasserstoff wird in Zukunft eine große Rolle als Energieträger spielen“, ist Arndt Remhof überzeugt. Der weltweite Energiebedarf steigt, fossile Energieträger sind endlich, erneuerbare Energien auf dem Vormarsch – aber nicht allzeit verfügbar. Da kann Wasserstoff als Energieträger zur Speicherung dienen. Mithilfe regenerativer Energie aus Wasser erzeugt, wäre er sowohl geeignet, durch Verbrennung Wärme zu liefern, als auch – per Brennstoffzelle – Strom, zum Beispiel für Elektroautos. „Besonders attraktiv ist Wasserstoff aufgrund seines hohen Energiegehalts. Pro Kilogramm enthält er dreimal soviel Energie wie Benzin“, erläutert Remhof. Der deutsche Physiker untersucht an der Eidgenössischen Materialprüfungsanstalt EMPA in Dübendorf bei Zürich die Speicherung von Wasserstoff. Wasserstoff ist ein Gas und besitzt daher ein großes Volumen – eine besondere Herausforderung bei der Speicherung, insbesondere für mobile Anwendungen. Um große Mengen in kleinen Tanks unterzubringen, kann man Wasserstoff entweder unter Druck komprimieren, bei sehr tiefen Temperaturen verflüssigen, oder in chemische Verbindungen zum Beispiel in feste Stoffe einbauen. „Letzteres ermöglicht eine besonders kompakte Speicherung“, sagt Remhof.
Auf der Suche nach einem geeigneten Speicherfeststoff erweisen sich sogenannte Leichtmetallhydride als besonders vielversprechende Materialien, zum Beispiel Lithium- Bor-Hydrid (LiBH4), eine Verbindung aus Lithium, Bor und Wasserstoff. Verglichen mit anderen Materialien hat sie eine sehr hohe Speicherkapazität für Wasserstoff. Und sie ist sehr leicht, denn sie besteht aus drei der vier leichtesten Elemente des Periodensystems. Das ist für mobile Anwendungen, zum Beispiel in Autos, sehr wichtig. Die Forscher um Remhof arbeiten an Verfahren, diese Substanz möglichst einfach herzustellen. Sie wollen verstehen, welche chemischen Reaktionen dafür erforderlich sind, welche Bindungen die Elemente eingehen und wie sie den Einbau des Wasserstoffs optimieren können. Darüber hinaus interessieren sie sich für die chemischen Prozesse während der Abgabe des Wasserstoffs. Das muss bei einem praxistauglichen Speicher schnell und möglichst vollständig passieren und nahezu beliebig oft wiederholbar sein. Allerdings darf man sich einen solchen Festkörperspeicher nicht so einfach vorstellen wie einen Schwamm, aus dem unter mechanischem Druck die Flüssigkeit herausgepresst werden kann. Beim Festkörperspeicher laufen komplexe chemische Prozesse ab, die den Wasserstoff binden und wieder frei geben.
Lithium-Bor-Hydrid unter Neutronenbeschuss
„Um all das zu untersuchen, eignen sich die Neutronenstrahlen am Forschungsreaktor BER II in hervorragender Weise“, sagt Remhof. Neutronen sind besonders sensibel für die Untersuchung von leichten Elementen und können Materialien gut durchdringen, zum Beispiel die Wände des Spezialofens, in dem die Forscher das Lithium-Bor-Hydrid unter Temperatur- und Druckerhöhung herstellen. Der Neutronenstrahl tritt dann mit den Atomen des Speichermaterials in Wechselwirkung, tritt wieder aus und wird mit einem Detektor analysiert. Mithilfe der sogenannten Neutronenbeugung können die Forscher Schlüsse über den chemischen Aufbau des Materials ziehen. So lässt sich beispielsweise nachweisen, wann sich tatsächlich Lithium- Bor-Hydrid gebildet hat oder ob es Zwischenprodukte wie LiB gibt.
Der einfachste Ansatz zur Herstellung von LiBH4 ist die direkte Synthese aus den einzelnen Elementen. Lithium und Bor werden als Feststoff bereitgestellt, Wasserstoff als Gas in den Ofen eingeleitet. Für diese Methode werden allerdings hohe Temperaturen von 700 Grad Celsius und Wasserstoffdrücke von 150 bar benötigt. Deshalb entwickelten Remhof und seine Kollegen einen alternativen Ansatz, den sie an BER II überprüfen konnten: Aus einer anderen chemischen Reaktion stellten sie zunächst eine Verbindung von Bor und Wasserstoff bereit, zum Beispiel B2H6, bestehend aus zwei Bor- und sechs Wasserstoffatomen. Das wurde dann mit der Lithium-Wasserstoff-Verbindung LiH zur Reaktion gebracht. Auf diese Weise formierte sich LiBH4 bereits bei einer Temperatur von 100 Grad Celsius und einem Druck von 20 bar.
Allerdings wandelten sich zunächst nur 50 Prozent der eingesetzten Ausgangsmaterialien auch tatsächlich in das gewünschte Endprodukt um. Den Grund hierfür entdeckten die Forscher mithilfe der Elektronenmikroskopie. Der Feststoff bestand aus Körnchen mit einem Durchmesser von zehn Mikrometern. Im Querschnitt zeigte sich, dass nur an der Oberfläche der Körner tatsächlich LiBH4 entstanden war. Es wirkte dort quasi als Schutzschicht und verhinderte das weitere Eindringen von B2H6 in den LiH-Kern der Partikel und damit deren vollständige Reaktion. Mittlerweile konnten die Forscher die Ausbeute erheblich steigern, indem sie das Material während der Reaktion mithilfe von Kugeln zu feinerem Pulver zermahlen. Das bricht die Oberfläche immer wieder auf und gibt den Kern zur weiteren Reaktion frei.
Um den Weg des Wasserstoffs im Material zu verfolgen, nutzten die Forscher eine alternative Messmethode, die sogenannte Neutronenspektroskopie. Das Ergebnis: Der Wasserstoff bewegt sich nicht in Form einzelner Atome oder H2-Moleküle, sondern wiederum gebunden an Bor, als negativ geladenes [BH4]-Ion. Erst an der Oberfläche der Körner werden drei der vier Wasserstoffatome freigesetzt.
Tank austauschen statt Tanken
Weil der Prozess der Wasserstoffaufnahme technisch komplexer ist als der der Abgabe, stellt sich Remhof die automobile Praxis mit Wasserstofftanks auf Basis solcher Festkörper einmal so vor: Es gibt leicht austauschbare Tanks, die – wenn sie leer sind – nicht im klassischen Sinne aufgetankt, sondern gegen volle ausgetauscht werden. Die leeren müssen in einer externen Anlage aufgearbeitet und mit Wasserstoff gefüllt werden. Eine solche Praxis allerdings, so betont der Physiker, erfordert noch wesentliche Entwicklungsschritte. „Unsere Untersuchungen sind noch sehr grundlegend und befassen sich mit fundamentalen Fragen, deren Klärung Voraussetzung für eine Markteinführung sind.“ Zum Beispiel, ob es einen Katalysator gibt, mit dem sich das Binden und das Lösen des Wasserstoffs noch beschleunigen lassen.
Autorin Dr. Uta Deffke (Nutzerexperimente, HZB-Highlightbericht)
