Image: Energiespeicher flüssiger WasserstoffFERCHAUFERCHAUWasserstoff als Energiespeicher ist im flüssigen Zustand einfacher zu handhaben | kanawatvector
TechnikForschungsdurchbruch

Ener­gie­spei­cher flüs­siger Wasser­stoff

Lesezeit ca.: 4 Minuten
Monique Opetz

Monique Opetz

Freie Journalistin

Forscher aus Erlangen haben eine Methode entwickelt, um erneuerbare Energien mit flüssigem Wasserstoff zu speichern. Der Clou: Der Wasserstoff kann unkompli­ziert in Tanks gelagert oder mit Pipelines transpor­tiert werden.

11. März 2019

Wie wäre es, die existierende Benzin- und Diesel-Infrastruktur für eine neue, emissions­freie und CO2-neutrale Technologie zu nutzen? Und zwar kostengünstig, effizient und unkompli­ziert. Mit dieser Vision beschäftigten sich die Wissenschaftler Prof. Peter Wasserscheid, Direktor des Helmholtz Instituts Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN), Prof. Wolfgang Arlt und Dr. Daniel Teichmann von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). Ihre Idee brachte ihnen die Nominierung für den Deutschen Zukunfts­preis 2018 ein.

Bei der von ihnen entwickelten Technologie setzen die Forscher auf flüssigen Wasserstoff und knüpfen dort an, wo die Wasserstoff­tech­no­logie bisher an ihre Grenzen stößt: Das gasförmige Element lässt sich zwar durch Elektrolyse von Wasser mit Wind- oder Sonnenen­ergie erzeugen und die im Wasserstoff gespeicherte Energie lässt sich über eine Brennstoff­zelle zurückge­winnen. Der Knackpunkt ist aber: Wasserstoff hat unter normalen Bedingungen nur eine geringe Energiedichte. Um ihn zu speichern oder zu transpor­tieren, wird er entweder bei minus 250 Grad verflüssigt oder als Gas unter hohen Druck bis 700 bar gesetzt. Diese Speicher­me­thoden erhöhen zwar die Energiedichte pro Volumen, sind aber aufwendig und kostspielig, da flächende­ckend neue Infrastruk­turen nötig sind. Außerdem sind Speicherung und der Betankungs­vor­gang kompliziert und nicht ungefähr­lich.

Speicherung von Wasserstoff mit der LOHC-Technologie

Prof. Wasserscheid und seine Kollegen haben eine Speicher­me­thode entwickelt, die nach dem Pfandfla­schen-Prinzip funktioniert: Organische Verbindungen, die sogenannten LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier), heften den regenerativ erzeugten Wasserstoff durch eine chemische Reaktion an eine Trägerflüs­sig­keit. Und durch eine umgekehrte Reaktion lässt er sich wieder freisetzen. Hierbei wird das Trägerma­te­rial nicht verbraucht, sondern kann anschlie­ßend wiederver­wendet werden – ähnlich dem Prinzip des Leeren und Füllen einer Pfandfla­sche. Schon ein einziger Liter bindet über 650 Liter Wasserstoff. In dem ungiftigen und nicht explosiven Dibenzyl­toluol fanden die Wissenschaftler eine geeignete Trägerflüs­sig­keit. Im industri­ellen Umfeld dient sie als ölartiger Wärmeträger und wird aus Toluol gewonnen, das in großen Mengen als Benzinbe­stand­teil verbrannt wird. Der so gebundene flüssige Wasserstoff kann wie herkömmli­cher Kraftstoff in Kanistern, Tanks, Pipelines, Tankwagen und Tankschiffen von A nach B transpor­tiert werden – jedoch völlig gefahren­frei.  Neben Elektroautos mit Brennstoff­zellen könnte das Verfahren – er mit einigen Anpassungen – auch bei Fahrzeugen mit Verbrennungs­motor eingesetzt werden. Der Tankprozess wäre dann ein Austausch von wasserstoff­freiem gegen wasserstoff­rei­ches LOHC.

Brennstoff­zellen für die Schiene

Zusätzlich zum Stoffkon­zept entwickelte das Forscher­team entsprechende Katalysa­toren, Apparate und Prozesse. Dabei haben sie nicht nur den Verkehr auf den Straßen im Blick, sondern beispiels­weise auch das deutsche Bahnnetz. Über 40 Prozent davon ist noch nicht elektrifi­ziert. In Bayern läuft deshalb seit 2018 das vom Bayerischen Staatsmi­nis­te­rium für Wirtschaft, Energie und Technologie geförderte Forschungs­pro­jekt, bei dem Züge mit der LOHC-Technologie ausgestattet werden sollen. Die Wissenschaftler des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg wollen bisherige Dieselfahr­zeuge mit Wasserstoff betreiben. „Für die Betankung der Züge mit Druckwas­ser­stoff oder tiefkalt verflüssigtem Wasserstoff müsste an den Versorger­bahn­höfen eine völlig neue Infrastruktur aufgebaut werden“, erläutert Prof. Wasserscheid. „Die LOHC-Technologie ermöglicht es dagegen, die bestehende Infrastruktur weitestge­hend beizubehalten." 

Das Ziel der Wissenschaftler ist, den Wasserstoff-beladenen LOHC-Träger direkt auf den Zug zu vertanken. Der Wasserstoff soll im Fahrbetrieb an Bord des Zuges freigesetzt und verstromt werden. Dafür entwickeln sie eine Direkt-LOHC-Brennstoff­zelle für mobile Anwendungen. Ein zusätzli­cher Apparat zur katalyti­schen Freisetzung des Wasserstoff­gases an Bord des Zuges ist damit nicht notwendig.

Flüssige Wasserstoffspei­cher – Energieträger der Zukunft

Um die Technologie dem Markt zugänglich zu machen, gründeten Prof. Wasserscheid, Prof. Arlt und Dr. Teichmann bereits 2013 die Hydrogenious Technolo­gies GmbH. Gemeinsam entwickeln sie Anlagen für die Einspeiche­rung und Ausspeiche­rung von Wasserstoff, die beispiels­weise an einem Elektroly­seur in einem Windpark oder einer Wasserstoff­tank­stelle stehen. Diese industri­ellen LOHC-Systeme sind bereits im US-Bundesstaat Tennessee bei der United Hydrogen Group im Einsatz. Für Finnland und China sind ebenfalls Anlagen geplant. Die neue Speicher­tech­no­logie ermöglicht jedoch nicht nur Belieferung von Wasserstoff­tank­stellen und eine industri­elle Wasserstoff­lo­gistik, sondern könnte den Weg bereiten für den globalen Transport erneuerbarer Energien. Die hohe Speicher­dichte sorgt für einen effizienten Transport auch über weite Strecken. Die Erlanger Forscher sind überzeugt: Flüssiger Wasserstoff ist ein Energieträger der Zukunft, der die universelle Rolle des Erdöls zumindest zum Teil übernehmen könne.