Dezentral und sicher: Neue Perspektiven für Wasserstoff und Brennstoffzelle

Am Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN) wird an der Mobilität von morgen geforscht. Im Mittelpunkt steht dabei eine neue Technologie namens LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier). Bei dem neuen Verfahren wird Dibenzyltoluol als Trägerflüssigkeit verwendet, an die der Wasserstoff gebunden wird. Der Vorteil: Das wasserstoffreiche LOHC ist völlig ungefährlich kann dauerhaft sicher gelagert werden. Es gibt zudem die große Hoffnung, dass sich mit der neuen Technologie sogar Schiffe und Schienenzüge antreiben lassen.

Vielen Fachleuten ist klar: Wenn man an Mobilität von morgen denkt, müssen neue Konzepte her. Die Diskussionen um Dieselkraftstoffe und der Bau neuer großer Stromtrassen durch Deutschland zeigen, dass die Energiewende nicht nur ein aufwändiger Prozess ist, der einen langen Atem braucht. Auch sind riesige Investitionen nötig, um den technischen Wandel und den Ausbau der Infrastruktur finanziell zu bewältigen. Wasserstoff und Brennstoffzelle gelten dabei neben E-Mobilität als Hoffnungsträger für eine Mobilitätssicherung, die sich unabhängig vom Verbrauch fossiler Brennstoffe macht. Damit könnte der Verkehr künftig einen signifikanten Beitrag zur notwendigen Senkung von CO2-Emissionen leisten. Am Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg (HI ERN), einer Außenstelle des Forschungszentrums Jülich, forscht man intensiv am sicheren Transport von Wasserstoff, um vorhandene Infrastrukturen auch für den Energieträger Wasserstoff zu erschließen.

Bislang ging man bei Power-to-Gas regelmäßig davon aus, dass Wasserstoff in der Nähe großer Windkraftanlagen erzeugt und gelagert werden muss, um ihn dort umgewandelt als Strom über neu gebaute Stromtrassen Richtung Industriezentren zu schicken. Eine wichtige Ergänzung dazu bietet die Speicherung von Wasserstoff innerhalb des bestehenden Gasnetzes sowie das Power-to-Gas-Verfahren, bei dem sich aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid regeneratives Erdgas gewinnen lässt. Allerdings handelt es sich hierbei um ein thermisches Endprodukt, was unter Klimagesichtspunkten nicht optimal ist.

Einen neuen Weg des Wasserstofftransports bietet sich nun mit LOHC. Durch die Bindung von Wasserstoff an die neue Trägerflüssigkeit LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier) besteht nun die Chance, den Wasserstoff sicher und gefahrlos vom Herstellungsort an jeden Verwendungsort in der Republik zu schicken. Aber auch Züge, die auf noch nicht elektrifizierten Zugstrecken fahren, ließen sich möglicherweise per LOHC und Brennstoffzelle antreiben genauso wie große Containerschiffe. Selbst für den Betrieb von großen Lkws und Bussen gibt es ein enormes wirtschaftliches Potenzial – vor allem in Zeiten, in denen wegen zu hoher Emissionen Fahrverbote in Städten drohen.

Ähnlich wie Diesel: Wie funktioniert LOHC?

Grundlage der neuen Technologie bildet Dibenzyltoluol, das als flüssiger organischer Wasserstoffträger (Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC) fungiert. Dabei handelt es sich um eine Kohlenstoffverbindung auf der Basis von Erdöl, die weder toxisch noch karzinogen ist, und außerdem sehr schwer entflammbar. Welche Rolle spielt das LOHC Dibenzyltoluol? Mittels Katalyse wird unter der der Zufuhr von Energie – im Idealfall aus Windkraftanlagen, photovoltaischen Anlagen oder Wasserkraft – flüssiges Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Der Wasserstoff wird aufgefangen und chemisch an  den LOHC gebunden. Durch einen speziellen Katalysator lässt sich der Wasserstoff bei Bedarf durch Dehydrierung wieder abspalten und für den Betrieb von Brennstoffzellen verwenden.

Ist der Wasserstoff verbraucht, liegt das Dibenzyltoluol wieder in seiner ursprünglichen Form vor und kann sofort wiederverwendet werden. Dementsprechend unkompliziert sieht ein Tankvorgang aus. Beim „Nachtanken“ würde einfach das gebrauchte LOHC gegen neues ausgetauscht werden, das mit Wasserstoff angereichert ist, und schon kann die Reise weitergehen. LOHC hat eine große Speicherfähigkeit, was die Transportkosten senkt und die Rentabilität erhöht. So kann ein Liter dieser Flüssigkeit 650 Liter Wasserstoff aufnehmen. Es entsteht eine ungefährliche Flüssigkeit, die Dieselkraftstoff ähnelt und sich mit gängigen Tankfahrzeugen transportieren lässt. Zusätzlicher Vorteil: Der Wasserstoff kann so über lange Zeiträume sicher gelagert werden, um beispielsweise in Unternehmen oder Wohnhäusern Stromschwankungen in wind- oder sonnenarmen Zeiten zu überbrücken und die vorhanden Schwächen von Wind- und Sonnenergie auszugleichen.

Höhere Wettbewerbsfähigkeit durch modernste Technik

Erst im vergangenen Jahr ist es einem Team von Wissenschaftlern des Forschungszentrums Jülich und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen Nürnberg (FAU) unter Leitung von Prof. Peter Wasserscheid gelungen, einen Katalysator zu entwickeln, der Beladungs- und Entladungsreaktion bei gleicher Temperatur effizient beschleunigen kann. Durch die unterschiedlichen Reaktionstemperaturen war es bis dato unmöglich, die freiwerdende Wärme der Beladung zu speichern und für die Entladung zu nutzen.

Durch das neue Verfahren kann nun Wasserstoffspeicher bei höheren Temperaturen beladen, die entstehende Wärme zwischengespeichert und für die Entladereaktion genutzt werden. Dadurch können künftig die entscheidenden Reaktionen in einem Apparat ablaufen und nicht mehr wie bisher in zwei getrennten. Diese Reduktion spart Kosten bei Ventilen, Pumpen sowie der notwendigen Mess- und Regeltechnik. Zudem benötigt man weniger Platz und auch die Kosten im laufenden Betrieb sinken. Das erhöht die Rentabilität der neuen Technologie und damit ihre Wettbewerbsfähigkeit.

Nächster Schritt: Ein LOHC-Zug als funktionsfähiger Prototyp

Mit diesen erheblichen Fortschritten im Hintergrund plant man nun am Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg in Kooperation mit der Industrie binnen fünf Jahren einen sogenannten „Zugdemonstrator“ zu entwickeln. Dabei handelt es sich um einen kompletten Zug, der mit dem neuen Antrieb ausgestattet ist und im regulären Schienennetz fahren kann. Der Prototyp wird zudem mit einer neuartigen Direkt-LOHC-Brennstoffzelle ausgerüstet, die einen Teil der Energie für den Betrieb liefern soll.  

Hier gibt es noch eine Menge Herausforderungen, die auf die Forscher warten. Zwar handelt es sich um eine Technologie, die sich heute schon im Dauerbetrieb bewährt hat und kommerziell erfolgreich vertrieben wird. Um aber den Fahrbetrieb eines Zuges abbilden zu können, müssen die Katalysatoren noch deutlich dynamischer agieren.

Auch bei der Leistungskraft der Brennstoffzellen muss noch zugelegt werden, um für große Antriebsstränge von Zügen oder Schiffen geeignet zu sein. Für einen breiten Einsatz in der Fläche – beispielsweise bei LKW oder Bussen – müssten auch das bestehende Tankstellensystem angepasst werden. Denn die Tankstellen hätten künftig die Aufgabe, nicht nur LOHC zur Verfügung zu stellen. Sie müssten gleichzeitig das wasserstofffreie LOHC wieder aufnehmen. Es gibt jedoch einen vielfältigen und spannenden Markt für die neue Technik. So sind heute noch 40 Prozent des deutschen Bahnnetzes nicht elektrifiziert. Eine emissionsfreie Alternative würde hier dringend gebraucht.

Text: Oliver Jorzik (ESKP), fachliche Durchsicht: Dr.-Ing. Patrick Preuster (HI ERN)

Quelle

H. Jorschick, P. Preuster, S. Dürr, A. Seidel, K. Müller, A. Bösmann and P. Wasserscheid (2017). Hydrogen storage using a hot pressure swing reactor, Energy & Environmental Science. Link

P. Preuster, C. Papp, and P. Wasserscheid, Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHCs): Toward a Hydrogen-free Hydrogen Economy, Acc. Chem. Res. 50 (1), 2017, 74-85. Link

S. Dürr, M. Müller, H. Jorschick, M. Helmin, A. Bösmann, R. Palkovits, and P. Wasserscheid (2017): Carbon dioxide-free hydrogen production with integrated hydrogen separation and storage, ChemSusChem 10, 42-47. Link

Pressemitteilung FZ Jülich (2018): Aus dem Labor auf die Schiene. Link

HI ERN-News (2018):  From the lab to the rail. Link

Pressemitteilung FZ Jülich (2017): Halber Aufwand, gleicher Ertrag. Link

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