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Pulvermetallhydride lösen Sicherheits- und Volumenprobleme für die Wasserstoffspeicherung

Neue Energiepolitiken erfordern eine Reduzierung des globalen CO-Fussabdrucks in den nächsten 20 Jahren mit dem Endziel einer COneutralen Infrastruktur. Um dorthin zu gelangen, müssen innovative Energiemanagement-Konzepte entwickelt werden. Hier setzt GKN an: Eine sichere, kompakte Lösung für Wasserstoffspeicher mit Pulvermetallhydride.

Original Blogbeitrag [16.01.2020] von Alfons Geueke, Produkt- und Prozessingenieur GKN wurde vom GSK-Redaktionsteam auf De übersetzt und teilweise ergänzt. 

Neue eE haben ein Problem: Energie konservieren

Erneuerbare Energien (eE) wie Sonne, Wind, Wasserkraft und geothermischen Quellen leisten den wichtigen Beitrag zur Erreichung der CO2-Neutralität. Die Einführung grosser Energiespeichersysteme für eine sichere Stromversorgung ist die Herausforderung, die im Überfluss zur Verfügung stehende Energie trotz grossen Produktionsschwankungen oekologisch und oekonomisch zu konservieren.

Welche Rolle spielt Wasserstoff bei der Entwicklung von Speichersystemen? Wasserstoff kann als Energieträger verwendet werden, um Energie aus erneuerbaren Quellen langfristig und verlustfrei zu speichern. Wasserstoff verursacht keine Verschmutzung. Wasserstoff ist Basis für unterschiedlichste Energiestoffe wie Methangas / Erdgas (Power-to-Gas) oder synthetischen Treibstoff (Luftfahrt) oder ganz einfach die Rückverstromung.

Der Vorgang seit dem 18. Jahrhundert ist simple einfach: überschüssiger Strom spaltet durch Elektrolyse Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff. Der Wasserstoff wird zwischengelagert und bei Bedarf über die Brennstoffzelle wieder Sauerstoff zugeführt. Es entsteht rund 50% Wärme, die anderen 50% Elektrizität. Als "Abfallprodukt" muss reines Wasser abgeleitet werden.

Bildnachweis: www.gknpm.com
Bildnachweis: www.gknpm.com

Ist Wasserstoff gefährlich?

Wasserstoff ist ein ungiftiges Molekül in Wasser und kommt in fast allen organischen Verbindungen vor - Wasser ist die Grundlage unseres Lebens. Wasserstoff hat mit 33,3 kWh / kg die höchste Energiedichte unter den diversen Kraftstofftypen - im Verhältnis zu Benzin rund dreimal so hoch. Die Herausforderung bei Wasserstoff besteht darin, dass Wasserstoffatome leicht und die Volumendichte gering sind. Ein Kubikmeter Wasserstoff entspricht bei atmosphärischem Druck und 20 Grad C Umgebungstemperatur nur 0,34 Liter Benzin (Energiedichte). Damit das Wasserstoffgas  in einem vernünftigem Raumverhältnis gelagert werden kann muss es verdichtet werden. Für die anstehende Autogeneration FCEV wird H2 mit 700 bar verdichtet.

Um dem hohen Druck standzuhalten und das Behältergewicht gering zu halten, wird typischerweise ein kohlefaserverstärktes Kunststoffmaterial verwendet. Hoher Druck bergen die Gefahr von Leckagen und bei ungenügender Belüftung die Gefahr einer Explosion. Es gilt also die Vermeidung dieser Risiken, speziell bei grosser Lagerkapazitäten: Die Hauptherausforderung an Hochdruckwasserstoffspeicherlösungen.

Metallhydrid Wasserstoffspeicher im Volumenvergleich für 1kg H2 (Quelle: GKN)
Metallhydrid Wasserstoffspeicher im Volumenvergleich für 1kg H2 (Quelle: GKN)

Als Alternative zu Hochdruckspeichersystemen sind Metallhydride eine sichere und kontrollierbare Technologie. Der Wasserstoff kann bei niedrigerem Druck (keine Energie für Verdichtung) bei kleinem Volumen (Raumkosten im Wohnungsbau) vom Tag auf die Nacht, vom Sommer auf den Winter konserviert werden.

Dieses Niederdruckkonzept funktioniert, weil die Wasserstoffmoleküle in der Metallverbindungsstruktur chemisch gebunden sind und bei atmosphärischem Druck stabil und ungefährlich bleiben. Metallhydrid-Speichersysteme arbeiten typischerweise bei 10-40 bar, was zwanzigmal weniger ist als bei typischen Hochdrucksystemen. Sobald der Wasserstoff benötigt wird, beginnt der Desorptionsprozess. Mit die modulierende Einspeisung von Wärme (45 bis 65 °C) wird das H2 vom Hydrid gelöst und strömt mit 1 bis 2 bar zur Brennstoffzelle.

Bildnachweis: www.gknpm.com
Bildnachweis: www.gknpm.com

Die Speicherkapazität pro 100 kg Metallhydridspeicher liegt bei 1,5 kg H2 - rund 50 kWh Energie. Dies entspricht in etwa der Energiekapazität eines Standard-Lithium-Ionen-Akkus, der in einem Tesla Model 3-Fahrzeug bei über 1000 kg integriert ist.

Die Metallhydrid-Speichertechnologie ist aufgrund ihrer Materialressourcen nachhaltig und vollständig recycelbar.  Kohlefaserverstärkter Kunststoff ist nicht zu 100 Prozent und elektrochemische Akkus sind nur mit enorm grossem Aufwand zu etwa 80% recycelbar. Zudem ist der Rohstoff Lithiumn nicht unendlich. Ein Vergleich: Alles Lithium auf der Erde kann der europäische Stromverbrauch (ohne Mobilität) für 2 Stunden speichern.

Fakten für Hydrid H2 als Elektrospeicher

Bildnachweis: www.gknpm.com
Bildnachweis: www.gknpm.com

Beispiel einer stromgeführten H2-Speicheranlage

Baugruppen einer kompletten Wasserstoffanlage: Elektolyseur - H2-Speicher - Verstromung FC PEM - H2 Tankstelle
Baugruppen einer kompletten Wasserstoffanlage: Elektolyseur - H2-Speicher - Verstromung FC PEM - H2 Tankstelle

Der Metallhydridspeicher vereint die Vorteile eines preiswerten Niederdrucktanks für einen sicheren Betrieb mit einer hohen Speicherkapazität. Die Technologie ist industriell ausgereift und erfüllt die hohen Sicherheitsanforderungen.

Die Dimensionierung des Metallhydridspeichersystems wird durch den spezifischen Anwendungsbedarf ihres Projektes bestimmt (skalierbare Energiespeicher im Bereich von 80 kWh bis 66 MWh). Ein komplettes System besteht aus 4 Hauptkomponenten:

  • Elektrolyseur
  • Speicher
  • Brennstoffzelle
  • MCU (mikroprozessorgesteuertes Energiemanagement System EMS)
  • Optional: H2-Tankstelle

Die Modularität dieser Baugruppen und die Integrationsfähigkeit in ein Gesamtsystem ermöglichen ein hohes Mass an Flexibilität. Die Wasserstofftechnik ist ihrer Verbreitung noch "jung" und entwickelt sich rasant weiter.  Die fortschreitende Industrialisierung und der wachsende Markt werden Kosten- & Effizienzverbesserungen bringen.

 

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