Erneuerbare Energien Wasserstoff-Batterie für eine mobile Brennstoffzelle

Von Kristin Rinortner

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Ein katalytisches System, das Wasserstoff chemisch speichert und in hochreiner Form beliebig wieder abgeben kann, könnte die Energieprobleme der Zukunft lösen. Denn derartige Batterien könnten jederzeit und überall Wasserstoff spenden, z.B. um Brennstoffzellen zu betreiben.

Wasserstoff-Batterie: Neuartige Batterien auf Basis von Formiaten könnten jederzeit und überall Wasserstoff spenden, z.B. um Brennstoffzellen zu betreiben.
Wasserstoff-Batterie: Neuartige Batterien auf Basis von Formiaten könnten jederzeit und überall Wasserstoff spenden, z.B. um Brennstoffzellen zu betreiben.
(Bild: Shabaz khan from pixabay )

Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Katalyse, LIKAT, und der Firma Apex haben ein katalytisches System entwickelt, das Wasserstoff chemisch speichert und in hochreiner Form beliebig wieder abgeben kann. Auf dieser Basis könnten in Zukunft Anlagen nach dem Prinzip einer Batterie jederzeit und überall Wasserstoff spenden, z.B. um Brennstoffzellen zu betreiben.

Tatsächlich kann diese Arbeit das weltweite Bemühen, Öl und Gas als Energierohstoffe abzulösen und CO2-neutrale Prozesse zu nutzen, einen guten Schritt voranbringen. Denn Wasserstoff ist als künftige Basis für den Energiesektor zwar mittlerweile akzeptiert, wie Dr. Henrik Junge vom Leibniz-Institut für Katalyse, LIKAT, erläutert, allerdings ist seine Speicherung immer noch problematisch. Wasserstoff ist in Gegenwart von Sauerstoff explosiv und als Gas unter normalen Bedingungen flüchtig und von geringer Dichte, weshalb führende Forschungslabore vor allem chemische Wege seiner Speicherung erkunden.

H2-Batterie mit Ameisensäure als Speichermedium

Dr. Duo Wei, Postdoktorand am LIKAT in Rostock, verwendete als Speichermedium für Wasserstoff Ameisensäure und ihre Salze, sogenannte Formiate. Junge: „Natürlich wäre es elegant, wenn wir im selben System den Wasserstoff bei Bedarf wieder freisetzen können, um ihn zu nutzen.“ Genau das ist mit der aktuellen Arbeit gelungen.

Den Katalysator, der alle notwendigen chemischen Reaktionen ermöglicht, entwickelten die Chemiker auf der Basis eines Mangan-Komplexes, er kommt also, anders als bei den meisten bisherigen Hydrierungen üblich, ohne Edelmetall aus.

Es gibt weitere Vorzüge, wie der Direktor des LIKAT, Prof. Dr. Matthias Beller, erläutert. Normalerweise wird bei der Rückgewinnung von Wasserstoff aus Formiaten das zur Speicherung verwendete Kohlendioxid wieder frei. „Wir hingegen halten das CO2 dauerhaft in unserem Reaktionssystem fest.“ Der Trick besteht darin, dass die Forscher das CO2 an eine gewöhnliche Aminosäure binden, die in der Natur und in uns selber vorkommt.

Wasserstoff-Batterie: Ausbeuten von 90 bzw. 80 Prozent

Wasserstoff-Batterie: In der Wasserstoff-Batterie reagieren CO2, Aminosäure (AA) und H2 zu Formiat, dem Salz der Ameisensäure (FA). Das CO2 verbleibt im Kreislauf (fette Pfeile), zum Vorteil gegenüber dem CO2-Recycling (gepunktet). Wasserstoff wird gespeichert.
Wasserstoff-Batterie: In der Wasserstoff-Batterie reagieren CO2, Aminosäure (AA) und H2 zu Formiat, dem Salz der Ameisensäure (FA). Das CO2 verbleibt im Kreislauf (fette Pfeile), zum Vorteil gegenüber dem CO2-Recycling (gepunktet). Wasserstoff wird gespeichert.
(Bild: LIKAT )

Das neu entwickelte Reaktionssystem folgt dem Prinzip einer elektrischen Batterie, mit dem Unterschied, dass anstelle von elektrischem Strom Wasserstoff genutzt wird. Eine solche Batterie wird also einmal zu Beginn mit CO2 aus der Luft befüllt. Sie kann dann den Zyklus der Hydrierung (H2-Speicherung) und Dehydrierung (H2-Freisetzung) mehrmals durchlaufen, wobei stets neuer Wasserstoff in den Speicher geladen wird.

Ein Verfahren auf dieser Basis wird seinen vollen Charme künftig vor allem dann entfalten, wenn der zu speichernde Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen der Region kommt, etwa Windkraft oder Photovoltaik. Junge: „Solche Quellen sprudeln ja nicht kontinuierlich. Deshalb braucht die Wasserstoffwirtschaft auf grüner Basis große Speicherkapazitäten, vorzugsweise chemischer Art, auch lokal vor Ort.“

Das alles ist Grundlagenforschung, wie Junge betont, doch in hohem Maße geeignet, Wirtschaft und Energiesektor mit klimaneutralen Verfahren transformieren zu helfen. Hinzu kommt, dass die Chemie Kohlendioxid in der Atmosphäre zunehmend als Rohstoffquelle erkennt, Ausgangsstoff für vielfältige nützliche Produkte, so Junge.

Für die praktische Nutzung ihrer Erkenntnisse wird die Kooperation des LIKAT mit der APEX Group sorgen. Dr. Peter Sponholz, Leiter für Forschung und Entwicklung bei APEX zählt zum fünfköpfigen Autoren-Team des Papers in NATURE ENERGY. Der Antrag zu einem gemeinsamen Patent, das von APEX angemeldet wurde, läuft gerade.

Originalpublikation in Nature Energy

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