Neuer Feststoffspeicher für Wasserstoff lässt sich in Minuten befüllen

Wissenschaftler vom Institut für Nanotechnologie des Forschungszentrums Karlsruhe haben einen Metallhydridtank für Wasserstoff entwickelt, der sich statt in einer Stunde in wenigen Minuten befüllen lässt. Möglich wird dies mithilfe von Nanopartikeln, die als Katalysatoren wirken und die Reaktionszeiten bei der Aufnahme von Wasserstoff extrem beschleunigen.

Wasserstoff wird bislang meist unter extremen Bedingungen getankt und gelagert: entweder gasförmig in Drucktanks mit mehreren hundert bar Überdruck oder flüssig in speziellen Kühltanks bei Temperaturen von unter minus 253 Grad Celsius. Eine mögliche Alternative sind Festkörper aus so genannten Metallhydriden. Diese Materialien nehmen den Wasserstoff auf, halten ihn in ihrer atomaren Struktur fest und geben ihn bei Temperaturerhöhung wieder ab.

Da sie weder extreme Temperaturen noch hohe Drücke erfordern, sind Metallhydridtanks vergleichsweise unkompliziert zu handhaben. Solche Tanksysteme bieten sich daher für mobile Kleinanwendungen wie Laptops oder PDAs, aber auch für den Einsatz in Autos und Bussen an. Bislang hat sich die Technologie jedoch kaum durchgesetzt, da den Vorteilen eine ganze Reihe von Nachteilen gegenüberstehen.

Einer davon ist die noch zu geringe Speicherdichte: Die Natrium-Aluminium-Verbindung Natriumalanat (NaAlH4), derzeit eines der besten Speichermedien, kann lediglich 4,5 Prozent ihres Eigengewichts an Wasserstoff aufnehmen. Das bedeutet, dass beispielsweise rund 100 Kilogramm des Materials benötigt werden, um knapp 5 Kilogramm Wasserstoff zu speichern.

Diese Zahlen sind damit bereits in ähnlichen Größenordnungen wie bei Druck- und Flüssiggastanks. Wegen der geringen Dichte des Materials sind die Tanks jedoch voluminös und nehmen in Fahrzeugen zu viel Platz weg. Ein weiterer Nachteil von Metallhydridspeichern ist zudem die sehr langsame Aufnahme und Abgabe des Wasserstoffs im Material, so dass das Betanken viel Zeit erfordert. Um einen Tank mit Natriumalanat als Speichermedium zu 80 Prozent aufzuladen, musste bisher mit Ladezeiten von über einer Stunde gerechnet werden. Mit den von den Karlsruher Forschern entwickelten Nanopartikeln lässt sich diese Zeit jedoch auf rekordverdächtige 7 bis 8 Minuten verkürzen.

Diese Partikel bestehen aus einem Kern aus 13 Atomen des Metalls Titan, der von einer Hülle aus Lösungsmittelmolekülen umschlossen ist. Diese selbst unter leistungsstarken Elektronenmikroskopen unsichtbaren Kerne wirken als Katalysatoren und beschleunigen die chemische Reaktion, die beim Einbau des Wasserstoffs in die Natrium-Aluminium-Verbindung abläuft.

Hergestellt wird das leistungsfähigere Speichermaterial, indem eine geringe Menge der Nanopartikel mit dem Speichermaterial Natriumalanat vermischt und unter Luftausschluss sehr fein gemahlen wird. Dadurch entsteht eine innige Mischung der beiden Komponenten, ein so genanntes Nanokomposit.

Trotz des Erfolges: Für den Durchbruch in der Speichertechnik seien noch weitere technische Hürden zu nehmen, erläutert Projektleiter Maximilian Fichtner. Wichtigstes Ziel sei es, Speicherdichten von mehr als 6 Prozent zu erreichen. Dieser Wert wird als kritische Grenze angesehen, ab der Metallhydride für die Autoindustrie interessant sein könnten.

Zu den „Baustellen“, wie es der Chemiker ausdrückt, gehöre auch das Problem, den Wasserstoff wieder aus dem Speichermaterial herauszulösen: Während beim Betanken durch die chemische Reaktion beim Einbau des Wasserstoffs in die Metallverbindung Wärme frei wird, sind zum Entladen der Tanks Temperaturen von um die hundert Grad Celsius nötig. Diese Wärmeenergie muss von außen zugeführt werden – idealerweise wird die Abwärme der Brennstoffzelle dazu genutzt.

Sollte es gelingen, all diese Schwierigkeiten zu überwinden, rechnet Fichtner damit, dass sich Hydridspeicher durchaus gegenüber Drucktanks und Flüssiggastanks durchsetzen könnten: „Wer einen tauglichen Feststoffspeicher entwickelt, der hat den großen Wurf gelandet.“