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News | 25.7.2016
Thermochemischer Speicher

Booster für Metallhydride

Hydridbildende Metalllegierungen eignen sich sowohl als Speicher für Wasserstoff als auch für Wärme.
© Fraunhofer IFAM Dresden

Wenn sich Metalle mit Wasserstoff zu Metallhydriden verbinden, lagern sich große Mengen Wasserstoff auf engem Raum im Metallgitter ein. Diese reversible Reaktion findet unter geringem Druck statt und setzt Wärme frei. Metallhydride eignen sich daher sowohl als Wasserstoffspeicher als auch für die thermochemische Wärmespeicherung. Bisheriger Nachteil: Die schlechte Wärmeleitung der Hydride begrenzt die Be- und Entladegeschwindigkeit deutlich. Um das zu verbessern, verarbeiten Forscher die Metallhydride zusammen mit hochwärmeleitendem Graphit zu Pellets, sogenannten Metallhydrid-Verbundwerkstoffen. Mit unterschiedlichen Stoffgruppen können sie den Temperaturbereich von Raumtemperatur bis hin zu 400 Grad Celsius abdecken.

Metallhydride werden meist als Pulver in loser Schüttung eingesetzt. Im lockeren Gefüge haben die kristallinen Partikel nur kleine Berührungsflächen. Werden diese Partikel verdichtet, verringern sich Lufträume zwischen ihnen. Die Kontaktflächen hingegen steigen. Deshalb verbessert schon die Verdichtung zu einem Pellet die Wärmeleitfähigkeit. Aber das alleine reicht nicht. Denn während die Ausgangsmetalle Wärme in der Regel sehr gut leiten, verschlechtert sich die Wärmeleitfähigkeit im hydrierten Zustand drastisch. „In einem Pressling aus reinem Magnesiumhydrid beispielsweise beträgt die Wärmeleitfähigkeit weniger als ein Watt pro Meter und Kelvin“, erläutert Projektleiter Dr. Lars Röntzsch und ergänzt: „Wenn wir das Material mit einem Gewichtsanteil von 10 Prozent Graphit mischen, können wir den Wert auf über 15 steigern.“ Je nach Ausgangsmaterial verbessert der Graphit den Wärmetransport um das bis zu 50-Fache.

„Graphit ist sehr kostengünstig und seine Wärmeleitfähigkeit ist sehr hoch“, begründet Röntzsch die Materialwahl. Tatsächlich übertrifft Kupfer als metallische Alternative dessen Leitfähigkeit. Das Buntmetall wäre für große Speicher aber zu teurer. Bei der Verdichtung richten sich die Hydridpartikel und der Graphit senkrecht zur Pressrichtung aus. Diese anisotrope Ausrichtung innerhalb des Verbundwerkstoffs verbessert die Durchlässigkeit des Presskörpers für Wasserstoff in einer definierten Richtung. Für alle untersuchten Metallhydrid-Verbundwerkstoffe konnten die Forscher zeigen, dass die Wasserstoff-Durchlässigkeit kein limitierender Faktor für den Speicherprozess darstellt.

Ein Verbund für jede Temperatur

Die Forscher wollten mit verschiedenen Metallhydriden einen großen Temperaturbereich abdecken. Dies gelang ihnen mit Metallhydrid-Verbundwerkstoffen aus drei Hydridklassen:

  • Metallhydride auf Magnesium-Basis für den Hochtemperaturbereich zwischen 250 und 400 Grad Celsius,
  • Natrium-Aluminium-Hydrid für mittlere Temperaturen zwischen 120 und 200 Grad Celsius und
  • Hydrid auf Titan-Mangan-Basis für den Niedertemperaturbereich bis 100 Grad Celsius.

Die Hydrid-Graphit-Gemische formten sie jeweils zu zylindrischen Presslingen und untersuchten daran die Reaktionsdynamik und Zyklenstabilität. Besonders vielversprechende Ergebnisse zeigten die Hydride für den Niedertemperaturbereich. Den Forschern gelang es, zuverlässige und preiswerte Herstellungsverfahren unter Umgebungsbedingungen zu entwickeln. Der Verbundwerkstoff erwies sich in Tests mit über 1.000 Be- und Entladezyklen als langzeitstabil und robust. Er eignet vor allem für Wasserstoffspeicher in Verbindung mit Brennstoffzellen oder Wasserstoff-Verbrennungsmotoren.

Ein Demonstrator im Schaltschrank

Neben den Reaktoren, mit denen die Wissenschaftler die Hydride im Labor testeten, entwickelten sie auch einen hochdynamischen Wasserstoffspeicher als praxisnahen Demonstrator. Die Speichereinheit ist in ein standardisiertes Modul integriert, das in einen 19-Zoll-Schaltschrank passt. In diesem Format bieten Brennstoffzellen-Hersteller einige ihrer Geräte an. Auch Elektrolyseure sind in Rack-Bauweise verfügbar. Die Leistungsdaten und Betriebsweise wurden auf konkret verfügbare Geräte angepasst.
Der Demonstrator kann bei einem Volumenstrom von 3,5 Normlitern pro Minute innerhalb von etwa zwei Stunden be- und entladen werden. Versuche zeigten, dass der Speicher durchaus auch höhere Volumenströme bereitstellen kann.

Weitere Informationen zum Forschungsvorhaben HD-HGV gibt es auf der Projektvisitenkarte.

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