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Wasserstoff und Energie

Energiespeicherung und -transport

Im Zuge des stetigen Ausbaus erneuerbarer Energien wie Solar- und Windkraft werden Speicher- und Transportkonzepte für die anfallenden Energien benötigt. Da erneuerbare Energien nicht „auf Abruf“ bereitstehen, müssen sie zum Zeitpunkt ihrer Erzeugung gespeichert werden. Zudem müssen z.B. für mobile Anwendungen wie KFZ transportfähige Speicher- und Freisetzungssysteme entwickelt werden.

Ein Ansatz zur Speicherung von elektrischer Energie beispielsweise aus Windkraft ist die Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse. Da freier Wasserstoff nur schwer speicherbar ist, soll der Wasserstoff in geeigneten Verbindungen überführt und somit leichtere speicherbar gemacht werden. Verbindungen dieser Art werden als LOHC („Liquid Organic Hydrogen Carrier“) bezeichnet (Energy Environ. Sci. 2011, 4, 2767-2773. DOI: 10.1039/C1EE01454D).

 

Ein mögliches Molekül zur Bindung von Wasserstoff ist das Dibenzyltoluol (H0-DBT, entladene Form). Durch die Beladung mit Wasserstoff entsteht das Molekül Perhydro-Dibenzyltoluol (H18-DBT), das pro Molekül LOHC 9 Moleküle Wasserstoff trägt. (ChemSusChem 2014, 7, 229–235. DOI:10.1002/cssc.201300426). Eine katalytische Dehydrierung setzt den Wasserstoff wieder frei. Der Wasserstoff kann dann beispielsweise in Brennstoffzellen wieder zu elektrischer Energie umgesetzt werden. Die entladene Form des LOHC wird dann wieder mit Wasserstoff aufgeladen und erneut als Energieträger eingesetzt.

 

Die Beladung des LOHC findet dabei unter erhöhtem Druck von > 5 bar Wasserstoff und Temperaturen von etwa 150 – 320 ℃ statt. Bei der Beladung wird durch die exotherme Reaktion Wärme freigesetzt. Diese Wärme kann besonders bei einer Beladung bei hohen Temperaturen anderweitig genutzt werden. Die Entladung des LOHC wird bei Temperaturen zwischen 250 – 320 ℃ und niedrigen Drücken von < 5 bar statt. Der Dehydrierreaktion muss Wärme zugeführt werden. Der im LOHC gespeicherte Wasserstoff kann nur in Anwesenheit eines geeigneten Katalysators und unter Zufuhr von Wärme freigesetzt werden. Diese Eigenschaft trägt zur Sicherheit von LOHC-Anlagen bei.

Das LOHC-System H18-DBT/H0-DBT ist bis unter -30 ℃ flüssig und schwer entflammbar. Das folgende Video zeigt einen Vergleich der Entflammbarkeit von Wasserstoff und beladenem Perhydrodibenzyltoluol.

Das LOHC-System H18-DBT/H0-DBT ist eine ölige Flüssigkeit die weitgehend kompatibel mit bereits existierenden Lager- und Transportinfrastrukturen für Mineralölerzeugnisse ist. Das LOHC kann in der be- und entladenen Form problemlos gelagert und transportiert werden.

Rund um die LOHC-Technologie entwickelt die Arbeitsgruppe

  • Katalysatoren für die Be- und Entladung von LOHC mit Wasserstoff
  • neue LOHC-Moleküle
  • analytische Verfahren zur Messung des Beladungsgrades und der Qualitätskontrolle von LOHC
  • Verfahren zur stofflichen Nutzung von in LOHC gespeichertem Wasserstoff.

Erfolgversprechende Kombinationen aus LOHC und Katalysator werden in Zusammenarbeit mit der Gruppe „Leistungsdichte Apparate“ in Pilotanlagen erprobt.

Neue LOHC-Moleküle werden u.a. in Zusammenarbeit mit der Gruppe „Chemical Hydrogen Storage“ des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg als Brennstoff für Direkt-LOHC-Brennstoffzellen entwickelt.