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Wasserstoff zu speichern ist kein Kinderspiel: Man braucht hohen Druck, extreme Kälte – oder aber Metallhydride, die das Element speichern und wieder freisetzen können. Die Wasserstoff-Speicherung mit Metallhydrid bringt aber ganz eigene Schwierigkeiten mit sich. Nun konnte ein Forscher-Team des Helmholtz-Zentrum Hereon einen wichtigen Schritt in dieser Hinsicht machen.

Es gibt verschiedene Methoden zur Speicherung von Wasserstoff: Am gängigsten ist bislang die Speicherung in flüssiger Form, bei -253 Grad Celsius in Kryotanks, oder – wie bei aktuellen Brennstoffzellen-Fahrzeugen üblich – eine gasförmige Speicherung unter sehr hohem Druck in speziellen Behältern. Die gängigen Druckgastanks für Wasserstofffahrzeuge sind jedoch sehr groß und aufgrund ihrer zylindrischen Geometrie nicht raumsparend in Fahrzeuge zu integrieren.

Wasserstoff lässt sich aber auch adsorbiert in bestimmten Metallen, sogenannten Metallhydriden speichern. Die Metallhydride gelten als zukunftweisendes Speichermaterial für Wasserstoff – die zu feinen Pulvern gemahlenen Metallverbindungen können das Element in erstaunlichen Mengen binden: Ein Metallhydrid-Speicher kann bis zu 50 Prozent mehr Wasserstoff aufnehmen als ein gleich großer 700-bar-Drucktank.

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Die Metallhydrid-Speicherung bringt jedoch ihre ganz eigenen Schwierigkeiten mit sich: Um den in Metallhydriden gespeicherten Wasserstoff wieder herauszulösen, müssen diese auf hohe Temperaturen von 300 oder 400 Grad Celsius erwärmt werden. Nun vermeldet das Helmholtz-Zentrum Hereon, ein besonders effizientes Metallhydrid-System entwickelt und weltweit patentiert zu haben, das dieses Problem umgeht.

"Dabei kombinieren wir mehrere Hydride miteinander", erläutert Thomas Klassen, Leiter des Hereon-Instituts für Werkstoffforschung und Professor an der Helmut-Schmidt-Universität in Hamburg in einer Pressemitteilung. "Geben diese Hydride den gespeicherten Wasserstoff beim Entladen ab, reagieren sie miteinander, wobei Energie frei wird." Dadurch sinkt die Temperatur, die zum Entladen nötig ist – das System wird energieeffizienter.

Allerdings gibt es zwei Einschränkungen: Zum einen dürfen sich die feinen Metallhydrid-Körnchen beim Beladen mit Wasserstoff nicht allzu weit voneinander entfernen, ansonsten können sie später beim Entladen nicht mehr so gut miteinander reagieren. Zum anderen kann sich Sauerstoff an die Körnchen binden und sie damit regelrecht blockieren. "Beide Probleme können entschärft werden, indem wir die Körnchen mit einem Polymer ummanteln", sagt Volker Abetz, Leiter des Hereon-Instituts für Membranforschung und Professor an der Universität Hamburg. "Dieses Polymer lässt nur Wasserstoff passieren und keinen Sauerstoff, und es verhindert eine allzu starke Entmischung der unterschiedlichen Metallhydride."

Zwar ist dieser Polymer-Trick bereits seit einiger Zeit im Labor bekannt. Doch was sich dabei genau abspielt, war bis dato unklar. Durch eine ausgefeilte Bildgebung konnte das Team um Abetz und Klassen das Geschehen nun sichtbar machen: Zunächst stellten die Fachleute mit einer Art Ionenfräse extrem feine und dünnschichtige Metallhydrid-Proben her. Diese untersuchten sie dann mit einer speziellen Rasterelektronenmikroskop-Technik. Das Ergebnis: hochaufgelöste Bilder der mikrometerkleinen, vom Polymer umhüllten Metallhydrid-Körnchen, und zwar sowohl im beladenen als auch im entladenen Zustand. Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler kürzlich in der Fachzeitschrift Advanced Materials Technologies veröffentlicht.

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"Da die Methode elementspezifisch ist, lassen sich die verschiedenen Metallhydrid-Sorten gut voneinander unterscheiden", erklärt Abetz. Wie die Messungen zeigten, bildeten die Polymerhüllen einen guten Schutz gegen den reaktivem und in diesem Prozess hinderlichen schädlichen Sauerstoff. "Außerdem konnten wir beobachten, dass sie tatsächlich eine Vergröberung und Entmischung der verschiedenen Metallhydrid-Komponenten verhindern", ergänzt Klassen. "Über viele Zyklen hinweg kann das System schnell mit Wassersoff be- und entladen werden, die Polymere machen also einen exzellenten Job!"

Auf der Basis der neuen Erkenntnisse wollen die Hereon-Fachleute die polymerummantelten Metallhydride nun weiter optimieren. Unter anderem wollen sie nach besseren, maßgeschneiderten Polymeren suchen, mit denen sich die Hydrid-Körnchen noch effektiver umhüllen lassen. Und: Im Rahmen eines Nachfolgeprojekts wollen sie gemeinsam mit Partnern der Technischen Universität Hamburg und der Universität Hamburg sowie einem Industrieunternehmen das Konzept der Polymer-Ummantelung für stationäre Wasserstoffspeicher erproben und dadurch deren Haltbarkeit deutlich erhöhen.

Gegenüber dem Nachrichtenportal Golem erklärt Klassen zudem, dass es nicht nur bei den leichten Metallhydriden wie Magnesium-Hydrid oder Lithium-Bor-Hydrid Fortschritte gibt, sondern auch bei den schweren: "Wir haben ja ganz verschiedene Materialien, die Wasserstoff speichern können", erklärt der Wissenschaftler. Inzwischen habe das Hereon mehrere Projekte mit Speichern aus schwereren Metallhydriden gestartet, die schon mit deutlich niedrigeren Temperaturen betrieben werden können. So gebe eine Titan-Eisen-Legierung schon bei Raumtemperatur wieder genügend Wasserstoff frei.

Wegen ihres hohen Gewichts eignen sich diese schwereren Metallhydride zwar nicht für den Einsatz im Wasserstoff-Auto – Hereon arbeitet allerdings auch an einem Projekt zur Kopplung unterschiedlicher Energiesektoren, bei dem es auf das Gewicht nicht ankomme und für das sich die schwereren Hydride gut eignen könnten.

Ist Wasserstoff die richtige Energiespeichertechnik für die Elektromobilität? EFAHRER.com erklärt die wichtigsten Infos rund um die Brennstoffzelle und wieso die Technologie keine Chance gegen Akkus hat. 

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