Metallhydrid-Wasserstoffverdichter: Wasserstoff effizient speichern

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Die Suche nach möglichst wirksamen und nachhaltigen Methoden zur Speicherung von Wasserstoff hat zum Einsatz von Verdichtern geführt. Dazu gehört die Verdichtung von Wasserstoff mit Metallhydriden, auch Metallhydrid-Wasserstoffverdichter genannt. Diese nutzen die Vorteile von Metallhydriden: Sie vereinfachen nicht nur die Druckerhöhung in Werkstoffen, sondern verbessern auch die Sicherheit, Anwendungseffizienz und Einsatzmöglichkeiten erheblich. Dieser einführende Abschnitt beleuchtet die Bedeutung dieser jüngsten Technologien für Wasserstoffinfrastrukturen sowie Funktionsweise, Vorteile und konkrete Anwendungen der Verdichter im Vergleich zu herkömmlichen Verdichtern. Untersuchen wir gemeinsam, wie Metallhydrid-Wasserstoffverdichter funktionieren und weshalb ihre Weiterentwicklung angesichts des heutigen Fokus auf Umweltverbesserungen selbstverständlich sein sollte – für Wissenschaftler, Ingenieure und alle, die sich für Energie interessieren.

Abschnitt 01

Metallhydride verstehen

Metallhydride sind besondere Verbindungen aus Wasserstoff und Metallen. Sie eignen sich gut zur Wasserstoffspeicherung, da sie auf Temperatur und Druck reagieren und in fester Form vorliegen. Viele dieser Werkstoffe nehmen Wasserstoffgas in ihre Struktur auf und speichern es dort. Für die Wasserstoffverteilung sind sie besonders nützlich, da sich der Energiebedarf für die Verdichtung von Wasserstoffgas verringert. Zu den bekannten Vertretern zählen Metalllegierungen wie Titan-Eisen-Hydride und magnesiumbasierte Hydride, die sich aufgrund ihrer Festigkeit und Beständigkeit in Wasserstoffsystemen gut für die Wechselwirkung mit Wasserstoff eignen.

Was sind Metallhydride?

Metallhydride sind inzwischen ein wichtiger Bestandteil zahlreicher fortschrittlicher Technologien, da sie Wasserstoff effizient aufnehmen, speichern und wieder abgeben. Sie kommen vor allem im Bereich der erneuerbaren Energien zum Einsatz, wo Wasserstoff häufig als umweltfreundlicher Energieträger dient. Bei der Speicherung von Wasserstoffenergie werden Metallhydride in Brennstoffzellen zur sicheren Wasserstoffspeicherung eingesetzt und ermöglichen so eine kontinuierliche und zuverlässige Energieerzeugung. Darüber hinaus werden sie in thermischen Energiespeichern verwendet, in denen Wasserstoff als in Metallhydriden gespeicherter Energieträger dient.

Ein weiterer Anwendungsbereich ist der Verkehr. Hier wird intensiv an Metallhydriden für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge geforscht, die im Vergleich zur Hochdruckspeicherung schlank gebaut und leichter sein können. Der Bedarf an größeren Speicherräumen und die Begrenzung der zulässigen Betriebstemperaturen fördern die Entwicklung spezieller chemischer Verbindungen, darunter Magnesiumhydride sowie thermisch veränderliche komplexe Hydride mit Alanaten.

Eigenschaften von Metallhydriden

Metallhydride weisen interessante Eigenschaften auf, die sie für die Wasserstoffspeicherung, Batterien und thermische Systeme bedeutsam machen. Besonders bemerkenswert ist, dass diese Werkstoffe Wasserstoff innerhalb eines festgelegten Betriebsbereichs reversibel aufnehmen und abgeben können. Entscheidend dafür sind vor allem ihre thermodynamischen und kinetischen Eigenschaften. So wird das Verhältnis der Wasserstoffaufnahme und -abgabe zu Druck und Temperaturänderungen durch das thermodynamische Gleichgewicht beschrieben und durch die Van’t-Hoff-Gleichung bestimmt. Niedertemperaturhydride wie LaNi₅ und Ti-Legierungen nehmen Wasserstoff gut auf und geben ihn unter angemessenen Umgebungsbedingungen, etwa bei Raumdruck, wieder ab.

Kinetisch können Faktoren wie Partikelgröße, Zustand der Getteroberfläche, Legierungszusammensetzung und Reinheit der Reaktanten die Geschwindigkeit der Hydrierung und Dehydrierung unmittelbar beeinflussen. Nanostrukturierte oder katalysierte Hydride, etwa Palladium, weisen beispielsweise um Größenordnungen höhere Reaktionsgeschwindigkeiten auf. Außerdem unterscheidet sich die Wasserstoffspeicherfähigkeit der Metallhydride. Sie wird in Gewichtsprozent (wt%) angegeben und kann bei bestimmten Metallhydriden unter besonders günstigen Bedingungen mehr als 5 wt% betragen.

Anwendungen von Metallhydriden in der Wasserstoffenergie

01
Wasserstoffspeichersysteme
Aufgrund ihres hohen Wasserstoffaufnahmevermögens werden Metallhydride häufig in Brennstoffzellen zur Energieerzeugung eingesetzt. Je nach Betriebsbedingungen lassen sie sich durch Änderung von Temperatur und Druck zyklisch be- und entladen und sind daher anwenderfreundlich. So können Magnesiumhydride (MgH₂) laut Ergebnissen einen sehr hohen theoretischen Wasserstoffspeichergehalt von bis zu 7,6 wt% erreichen, was sie für die langfristige Energiespeicherung interessant macht.
02
Brennstoffzellentechnologien
Als Wasserstoffquelle in Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEM) geben Metallhydride Wasserstoff bedarfsgerecht ab und steuern den Volumenstrom auf das erforderliche Niveau. Hydride neuerer Legierungen wie Titan-Eisen (TiFe) eignen sich gut für Brennstoffzellenfahrzeuge mit Hybridantrieb, da sie unter anderem bei mittleren Betriebstemperaturen arbeiten.
03
Thermische Energiespeicherung
Einige Metallhydride, insbesondere Natriumaluminiumhydrid (NaAlH₄), durchlaufen bei der Wasserstoffaufnahme und -abgabe exotherme und endotherme Umwandlungen und eignen sich deshalb für den Einsatz in Energiespeichern. Diese endothermen Umwandlungen können in Industrieanlagen, in denen die Kontrolle der Wärmebilanz besonders wichtig ist, zur Speicherung oder Übertragung von Wärme genutzt werden.
04
Wasserstoffverdichtung
Die Wasserstoffverdichtung mit Metallhydriden basiert auf einem Zyklus aus Absorption und Desorption bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken. LaNi₅ und seine Legierungen werden eingesetzt, um Wasserstoffgas von niedrigem auf hohen Druck zu verdichten. Dadurch sinkt der Energieverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen mechanischen Verdichtern.
05
Wasserstofftrennung und -reinigung
Metallhydride dienen nicht nur der Verbesserung von Wasserstoffspeichersystemen, sondern kommen auch in Wasserstoffreinigungssystemen zum Einsatz. Bei der Verwendung palladiumdotierter Hydride wird nur ein Teil des in Gasgemischen enthaltenen Wasserstoffs aufgenommen. So lässt sich hochreiner Wasserstoff für spezielle Anwendungen wie Halbleiter oder Laboranalysatoren bereitstellen.
06
Energiespeicherung im Stromnetz
Der Einsatz von Metallhydriden in großtechnischen Systemen zur Erzeugung erneuerbarer Energie ist wirtschaftlich umsetzbar. Alanate (z. B. NaAlH₄) und Borhydride (z. B. LiBH₄) werden daraufhin untersucht, ob sie sich zur Wasserstoffspeicherung im Stromnetzmaßstab eignen. Dies kann zum Ausgleich der Energiebilanz beitragen und Verbrauchsspitzen sowie -täler glätten.

Abschnitt 02

Einführung in Metallhydrid-Wasserstoffverdichter

Metallhydride können Wasserstoff unter kontrollierten Druck- und Temperaturbedingungen aufnehmen und wieder abgeben. Diese Eigenschaft wird bei der Entwicklung von Wasserstoffverdichtern genutzt: Das Material wechselt zwischen einem wasserstoffarmen und einem wasserstoffreichen Zustand und verdichtet dadurch den Wasserstoff. Für diesen Vorgang sind keine beweglichen mechanischen Teile erforderlich. Aufgrund entscheidender struktureller Vorteile lässt sich das Metallhydrid mit Wasserstoff beladen, um ihn zu verdichten, und anschließend entladen, um ihn für den Betrieb als Gas abzugeben. Die höhere Energieeffizienz, der geringere Instandhaltungsbedarf und die verbesserte Zuverlässigkeit machen diese Verdichter zu einer Alternative für Wasserstofferzeugungs-, Speicher- und Verteilungssysteme.

Was ist ein Metallhydrid-Wasserstoffverdichter?

Ein Wasserstoffverdichter auf Basis von Metallhydriden wird auch als Metallhydrid-Wasserstoffverdichter (MHHC) bezeichnet. Er nutzt die reversible Aufnahme und Abgabe von Gas durch einen Werkstoff. Dabei kommen speziell behandelte Metallhydride zum Einsatz, also metallische Werkstoffe, die bei niedrigem Druck Wasserstoff aufnehmen und ihn bei hohen Temperaturen wieder abgeben. Das Funktionsprinzip: Wasserstoff wird in die Anlage geleitet und chemisch an das Hydrid gebunden. Wird das Hydrid erwärmt, löst sich der chemisch an das Metall gebundene Wasserstoff und wird mit hohem Druck ausgestoßen. So erfolgt die Verdichtung ohne herkömmliche mechanische Baugruppen.

MHHCs eignen sich besonders für Bereiche, in denen Zuverlässigkeit und Energieeffizienz höchste Priorität haben. Da die Verdichtung auf einem thermodynamischen Zyklus statt auf einem mechanischen Verdichtungssystem beruht, entsteht keine Lärmbelastung für den Anlagenbereich oder andere Einsatzorte. Moderne Technologien nutzen zudem hochwertige Werkstoffe, darunter neue Metalllegierungen, um die Förderleistung zu maximieren, den Behälter zu kühlen oder zu erwärmen und auch bei extrem hohen Drücken von bis zu 1.000 bar einen sicheren Druck für die Wasserstoffbetankung aufrechtzuerhalten. Damit eignen sich diese Verdichter für Wasserstoffanwendungen: Sie verbessern die Nutzung von Wasserstoffenergie und sind angesichts der derzeitigen Verfügbarkeit nicht erneuerbarer Energiequellen besonders gefragt.

Die Bedeutung der Wasserstoffverdichtung

Die Wasserstoffverdichtung ist entscheidend für die effiziente Speicherung, den Transport und die Nutzung von Wasserstoff in Verbindung mit unterschiedlichen Anlagen zur Energieerzeugung. Wasserstoff hat zwar eine hohe Energiedichte, nimmt aber viel Volumen ein. Für kompakte Speicherlösungen mit hoher Energiedichte in stationären und mobilen Systemen ist daher eine Verdichtung erforderlich. Hochdruck-Wasserstoffverdichter sind wichtig für anspruchsvolle Brennstoffzellensysteme, die für den Betrieb auf einen rechtzeitigen und wiederholbaren Kraftstoffdruck angewiesen sind. So können Verdichter für industrielle Anwendungen Drücke von über 700 bar erreichen und damit zahlreiche Einsatzmöglichkeiten für Hochdruckbehälter in Wasserstofffahrzeugen und Rohrleitungssystemen eröffnen.

Der weltweite Wandel hin zu erneuerbaren Energiequellen erfordert eine Optimierung der Erzeugung und Nutzung von sauberem Wasserstoff. Dadurch sind diese kombinierten Anlagen heute auch für den Markt reiner Gase verfügbar. Moderne Membran- und Kolbenverdichter minimieren die Gaskontamination und ermöglichen eine hochwertige Nutzung von Wasserstoff als Kraftstoff in der Transport-, Energie- und Industriebranche. Eine höhere Verdichtungsleistung für Wasserstoff würde die Dekarbonisierung der Industrie voranbringen und die Integration von Wasserstoff in bestehende und neue Energiesysteme ermöglichen.

Metallhydrid-Wasserstoffverdichter im Vergleich zu anderen Verdichtern

Parameter	Metallhydrid	Hubkolbenverdichter	Kreiselverdichter	Membranverdichter
Verdichtungsmechanismus	Absorption und Desorption in Hydriden	Mechanische Verdichtung durch Kolben	Zentrifugalkraft durch Laufräder	Flexible Membran zur Verdichtung
Wirkungsgrad	Hoch bei bestimmten Druckbereichen	Mittlerer Wirkungsgrad	Hoher Wirkungsgrad bei hohen Volumenströmen	Mittlerer bis hoher Wirkungsgrad
Gaskontamination	Praktisch keine Kontamination	Minimale Kontamination	Mögliche Kontamination	Äußerst geringe Kontamination
Instandhaltung	Geringer Bedarf dank weniger beweglicher Teile	Mittel; regelmäßige Wartung erforderlich	Hoch aufgrund komplexer Innenteile	Gering; einfache Instandhaltung erforderlich
Haltbarkeit	Lange Lebensdauer bei Wasserstoffanwendungen	Gute Haltbarkeit, regelmäßiger Verschleiß von Teilen	Gut, jedoch durch Vibrationen beeinträchtigt	Ausgezeichnet; minimierter mechanischer Verschleiß
Betriebsdruck	Für Anwendungen mit mittlerem Druck geeignet	Großer Druckbereich	Am besten für niedrigen Druck geeignet	Für Hochdruckanwendungen geeignet
Energieverbrauch	Mittlerer Energieverbrauch	Hoher Energieverbrauch	Geringerer Energieverbrauch bei konstanten Drehzahlen	Mittlerer Energieverbrauch
Kosten	Hohe Anschaffungskosten, niedrige Betriebskosten	Mittlere Anschaffungskosten, langfristig höhere Kosten	Hohe Anschaffungskosten, langfristig unterschiedliche Kosten	Hohe Anschaffungskosten, später kosteneffizient
Skalierbarkeit	Für bestimmte kleinere Systeme geeignet	Für verschiedene Förderleistungen skalierbar	Ideal für großtechnische Anwendungen	Begrenzte Skalierbarkeit
Sicherheit	Stabil, geringes Risiko mechanischer Ausfälle	Risiko von Leckagen oder Überhitzung	Mittlere Risiken bei hohen Drehzahlen	Sehr sicherer, robuster Betrieb

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Abschnitt 03

Wissenschaftliche Grundlagen der Wasserstoffverdichtung mit Metallhydriden

Die Wasserstoffverdichtung mit Metallhydriden beruht auf einer eher ungewöhnlichen Eigenschaft bestimmter Metalle und ihrer Legierungen: Unter bestimmten Bedingungen können sie Wasserstoffgas aufnehmen und wieder abgeben. Unter bestimmten Temperatur- und Druckbedingungen sättigt sich das Metall mit Wasserstoff, wird hydridiert und bindet Wasserstoff in seiner Struktur. Durch Wärmezufuhr wird der gespeicherte Wasserstoff wieder abgegeben, und zwar bei einem etwas höheren Druck als dem für die Aufnahme erforderlichen.

Die Technologie ist sicher ausgelegt, da sie bei niedrigen Temperaturen und Drücken arbeitet und in der Anlage keine kritischen Bewegungen auftreten. Auch hohe Temperaturen und Drücke verursachen keine schwerwiegenden Schäden an der Technologie, die wiederholt eingesetzt werden kann. Bei Anwendungen, die eine präzise Druckregelung erfordern, entstehen nur sehr wenige Emissionen. Außerdem können diese Verdichter zur Wasserstoffspeicherung und in Brennstoffzellentechnologien eingesetzt werden.

Mechanismus der Wasserstoffaufnahme und -abgabe

Kommt Wasserstoffgas mit einem Metallhydrid in Kontakt, beginnt die Absorption: Die zunächst bestehende, aber schwache Bindung im zweiatomigen Wasserstoffmolekül (H2) wird an der Metalloberfläche aufgebrochen, sodass atomarer Wasserstoff (H) entsteht. Diese Dissoziation findet gewöhnlich an katalytischen Stellen auf der Werkstoffoberfläche statt, welche die Aktivierungsenergie für die Spaltung des Wasserstoffmoleküls senken. Dadurch diffundiert der atomare Wasserstoff in die Zwischengitterplätze des Wirtsmetallgitters und verbindet sich mit dem Gitter zu einem stabilen Metallhydridkomplex. Bei der Absorption wird jedoch Wärme freigesetzt, die abgeführt werden muss, damit Wasserstoff wirksam aufgenommen werden kann.

Bei der Umkehrreaktion bezeichnet Desorption die Rückführung von Wasserstoffatomen aus dem Metallhydrid in den gasförmigen Zustand. Für die Desorption wird normalerweise Wärme zugeführt, um den endothermen Prozess auszugleichen; zugleich wird der Druck abgesenkt, damit sich der Wasserstoff leichter abführen lässt. Das Gleichgewicht zwischen Absorption und Desorption hängt von mehreren Faktoren ab, etwa Temperatur, Druck und den thermodynamischen Eigenschaften der eingesetzten Metallhydride. Derzeit gewinnen verbesserte Systeme wie aktivierte Aluminiumlegierungen und Nanomaterialien für die Entwicklung effizienter Technologien zur Wasserstofferzeugung und -speicherung an Bedeutung.

Rolle von Legierungen in Metallhydridverdichtern

Legierungen sind entscheidend, um Leistung und Wirkungsgrad von Metallhydridverdichtern zu optimieren, da sie die Aufnahme und Abgabe von Wasserstoff maßgeblich beeinflussen. Verschiedene Legierungen wie LaNi₅, TiFe und magnesiumbasierte Verbindungen besitzen thermodynamische Eigenschaften, die darüber entscheiden, ob sie sich für bestimmte Anlagen eignen. Legierungen auf LaNi₅-Basis werden häufig eingesetzt, weil sie bei mittleren Drücken und Temperaturen betrieben werden können und effiziente Absorptions- und Desorptionszyklen ermöglichen. Magnesiumbasierte Legierungen ermöglichen dagegen eine höhere Wasserstoffspeicherung ohne hohen Druck. Dafür sind hohe Temperaturen erforderlich, weshalb sie sich für Anwendungen eignen, die eine hohe Speicherkapazität oder hohe Temperaturen erfordern.

Aktuelle Studien befassen sich mit Veränderungen an Legierungen, um Reaktionsgeschwindigkeiten und Lebensdauer der Pulver zu verbessern. Weitere Fortschritte zeichnen sich insbesondere bei Nanostrukturen ab, deren Oberflächenreaktionen durch metallbeschichtete Werkstoffe oder fein verteiltes Palladium beziehungsweise Titan katalysiert werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, bestimmte Elemente der Legierung zu ersetzen, um sie an die erforderlichen Druck- und Temperaturbedingungen anzupassen und für bestimmte Motoren geeignet zu machen. Die Verbesserung dieser Spezialprodukte unterstützt die Entwicklung des Sektors für erneuerbare Energien, erweitert die Einsatzmöglichkeiten wasserstoffbetriebener Systeme und erhöht zugleich deren Leistung und Zuverlässigkeit.

Wärmeübertragung in Metallhydridsystemen

Für das optimale Zusammenspiel von Metallhydrid und weiteren Systemkomponenten ist eine effiziente Wärmeübertragung entscheidend, da sie die Geschwindigkeit der Wasserstoffaufnahme und -abgabe bestimmt. Bei der Hydrierung nimmt das mit Wasserstoff gesättigte Metall Wasserstoff in einer exothermen Reaktion auf oder gibt ihn ab; dabei wird Energie freigesetzt. Die Wärme muss in diesem Fall schnell aufgenommen oder abgeführt werden, da das System sonst überhitzt. Bei der Dehydrierung muss dem System dagegen Wärme mit der erforderlichen Temperatur zugeführt werden, um die Reaktionswärme zu überwinden.

Moderne Konstruktionen enthalten häufig Werkstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit, etwa Aluminium oder Kupfer, um Wärmeübertrager auszuführen und Wärme schneller abzuführen. Metallhydridreaktoren können beispielsweise Wärmeleitstrukturen, konvektive Kühlkörper oder sogar hybride Luftkühlsysteme enthalten, um die Wärmeübertragung zu verbessern. Fachveröffentlichungen weisen zudem darauf hin, dass eine verbesserte Wärmeübertragung in solchen Anlagen den Energieverbrauch und die Zyklusdauer erheblich senken kann. Dadurch lässt sich die Leistung der auf Wasserstoff basierenden Hydridspeicherung und -rückgewinnung verbessern.

Abschnitt 04

Anwendungen von Metallhydrid-Wasserstoffverdichtern

Metallhydrid-Wasserstoffverdichter bieten erhebliche Vorteile und eignen sich für zahlreiche Industrieprozesse zur Speicherung und zum Transport von Wasserstoff. Obwohl sie sich besonders in der Fertigung bewährt haben, gibt es weitere wichtige Anwendungsbereiche, darunter die Kohlenwasserstoffreformierung und die Steuerung von Rohrleitungen, bei denen eine sehr präzise Druckregelung erforderlich ist. Darüber hinaus hat die Brennstoffzellentechnologie mit Wasserstoffverdichtern Fortschritte bei der Bereitstellung sauberer Energie für mobile und stationäre Anwendungen ermöglicht. Da sie bei niedrigeren Temperaturen arbeiten als mechanische Verdichter, sind sie außerdem vorteilhaft, wenn Wärmebedarf entscheidend ist, etwa bei erneuerbaren Energiequellen und in Chemieanlagen.

Anwendungen von Metallhydridverdichtern in der Wasserstoffwirtschaft

01
Wasserstoffspeichersysteme
Das Verfahren zur Speicherung von Wasserstoff spart Platz und gewährleistet eine sichere und effiziente Speicherung der Gase. Bestimmte Legierungen wie LaNi₅- und TiFe-basierte Legierungen können beispielsweise bei festgelegten Druck- und Temperaturbereichen reversible Hydrierungs- und Dehydrierungsprozesse durchlaufen und Wasserstoff selbst bei Drücken von bis zu 200 bar sicher speichern.
02
Betankungsinfrastruktur für Wasserstofffahrzeuge
Metallhydridverdichter (MHC) arbeiten in Wasserstofftankstellen nach dem Prinzip „Verdichtung bei Bedarf“. Ihr hoher Wirkungsgrad und die geringe Reibung ermöglichen einen verschleißfreien Betrieb in Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen. Beim Tanken von Wasserstoff kommen höhere Drücke zum Einsatz: Übliche Brennstoffzellenfahrzeuge arbeiten typischerweise mit mehr als 350 bar. Betankungssysteme für bis zu 700 bar, wie sie bei Wasserstofftankstellen verwendet werden, erfordern besonders hohe Drücke.
03
Wasserstoffversorgung der Industrie
Bestimmte industrielle Prozesse, etwa die chemische Produktion und die Metallverarbeitung, benötigen reinen Wasserstoff, um erfolgreich durchgeführt werden zu können. Metallhydridverdichter können als Verbindungstechnologie hochreinen Wasserstoff bei hohen Drücken bereitstellen und so die hohen Anforderungen der Industrie erfüllen. Durch die Auswahl von Metallhydriden mit geeigneten thermodynamischen Eigenschaften können solche Systeme Wasserstoff heute unter Prozessbedingungen verdichten, die bis zu 85 % effektiver sind.
04
Einbindung erneuerbarer Energien
Die Erzeugung und Speicherung von Wasserstoff sind in vielen Bereichen der erneuerbaren Energien zentrale Prozesse und bieten ein ideales Anwendungsfeld für Metallhydridverdichter. So lässt sich Wasserstoff, der mithilfe erneuerbarer Energiequellen wie Solar- oder Windenergie durch Elektrolyse erzeugt wird, verdichten und in das heutige Energienetz integrieren. Untersuchungen zur Wasserstoffverdichtung mit Metallabsorbern und PEM-Elektrolyseuren haben gezeigt, dass Drücke zwischen 100 und 150 bar bei vernachlässigbar geringen Energieverlusten erreicht werden können.
05
Anwendungen im Labor und in der Forschung
Aufgrund ihrer robusten Bauweise und langen Betriebsdauer ohne Ausfälle werden Membran-Wasserstoffkonzentratoren häufig in Laboren zur Regelung der Wasserstoffversorgung eingesetzt. Sie ermöglichen Experimente mit Wasserstoff bei dem erforderlichen Druck und der erforderlichen Reinheit und eignen sich auch für kleinere Versuchsaufbauten. In Laborprüfungen und Experimenten wurde eine Leistung von über 90 % berichtet.

Vorteile gegenüber herkömmlichen Wasserstoffverdichtern

►
Höherer Wirkungsgrad
Metallhydridverdichter, kurz MHC, bieten im Vergleich zu herkömmlichen mechanischen Verdichtern ein deutlich höheres Energiepotenzial. Bei herkömmlichen mechanischen Wasserstoffverdichtern für Hochdruckanwendungen liegt der Turbinenwirkungsgrad bei 40-60 %; unter optimalen Prozessbedingungen erreichen MEAs Wirkungsgrade von bis zu 90 %.
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Geringerer Instandhaltungsaufwand
MHCs verfügen über deutlich weniger bewegliche Teile. Zudem bestehen sie aus weniger herkömmlichen Komponenten als die meisten Maschinen, wodurch sie eine lange Lebensdauer erreichen. Instandhaltungsarbeiten sind daher weder regelmäßig erforderlich noch kostspielig. Da MHCs nur wenig Schmierung benötigen, sind Reparaturen außerdem einfacher.
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Höhere Betriebssicherheit
Die integrierten Sicherheitsmaßnahmen sorgen bei MHCs für einen sichereren Betrieb, da sie bei deutlich niedrigeren Drücken und Temperaturen arbeiten als ihre östlichen Pendants. Herkömmliche Verdichter erreichen im Betrieb häufig mehr als 200 bar. MHCs mit reversiblen Hydriden und vergleichbarer Leistung arbeiten hingegen bei Drücken, die um ein Vielfaches unter den Kontrolldrücken für die reversible Hydridbildung liegen.
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Höhere Wasserstoffreinheit
MHCs eignen sich bekanntermaßen zur Reinigung von Wasserstoff, da sie Wasserstoff aufnehmen und anschließend wieder abgeben. Die übrigen Verunreinigungen im Wasserstoff, etwa Stickstoff, Sauerstoff und Kohlenwasserstoffe, werden im Allgemeinen nicht von den Metallhydriden aufgenommen.
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Kompakte, modulare Bauweise
MHCs sind so konstruiert, dass sie nur wenig Platz benötigen. Dadurch eignen sie sich für Anlagen mit sehr großem Platzangebot auf beiden Seiten sowie für mobile Anwendungen. Dank ihrer Skalierbarkeit lässt sich das System zudem entsprechend der erforderlichen Förderleistung auslegen und erweitern.
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Weniger Lärm und Vibrationen
Magnetische Wärmepumpen arbeiten nahezu geräuschlos. Mechanische Verdichter hingegen nutzen Kolben oder Membranen, die erhebliche Geräusche und Vibrationen verursachen können. Das ist ein großer Vorteil für magnetische Wärmepumpen in Einrichtungen und Industriebetrieben, die eine geräuscharme Umgebung benötigen, etwa in Laboren oder bei der Betankung der städtischen Wasserstoffversorgung mit Robotertankstellen.

Abschnitt 05

Zukunftstrends bei der Wasserstoffverdichtung mit Metallhydriden

Die Weiterentwicklung von Metallhydriden ist entscheidend, um die Wasserstoffverdichtung zu verbessern. Forschungseinrichtungen arbeiten derzeit an neuen Legierungen, die die Speicherkapazität und die katalytische Wirkung erhöhen sollen. Auch die Einbindung erneuerbarer Energiequellen wie Photovoltaikanlagen und Windkraftanlagen gewinnt an Bedeutung, um die Wasserstoffverdichtung nachhaltiger zu gestalten. Ein wichtiger Forschungsbereich ist die Anpassung bestehender Systeme an unterschiedliche Größen, damit Wasserstoff leichter an Orte mit Bedarf transportiert und dort in zusätzlichen Tanks gespeichert werden kann. Zudem wird die passive Auslegung in Technologien der nächsten Generation weiterentwickelt. Der Verzicht auf Anlagen zur Wärmeregelung spart Energie und ermöglicht eine weitere Steigerung der Energieeffizienz.

Innovative Ansätze und numerische Modellierung

Die numerische Modellierung ist ein wesentlicher Bestandteil der Optimierung von Wasserstoffverdichtungssystemen mit Metallhydriden. Sie ermöglicht Untersuchungen zur Wärmeübertragung, Reaktionskinetik und Wasserstoffdiffusion. Spezialisierte Methoden wie die numerische Strömungsmechanik (CFD) und die Finite-Elemente-Analyse (FEA) unterstützen die Entwicklung anspruchsvoller Simulationen, mit denen sich thermodynamische und mechanische Eigenschaften unter verschiedenen Betriebsbedingungen detailliert untersuchen lassen. Diese quantitativen Modelle schätzen wichtige Kenngrößen wie Verdichtungsgrad, Zyklenstabilität und thermischen Wirkungsgrad ab, die für die Entwicklung und Verbesserung der Systeme entscheidend sind.

Neue Forschungsmethoden verbinden Computersimulation und Experimente in einem System, dessen Modellstruktur sich anhand laufend erfasster Messdaten anpassen lässt. Dadurch kann das ordnungsgemäße Funktionieren des Systems über einen bestimmten Zeitraum vorhergesagt werden. Das hilft, konkrete Probleme zu lösen, etwa die Wirksamkeit von Kühlkörpern zu verbessern oder eine Materialschädigung zu verhindern. Im Zuge dieser Entwicklung ist auch der Einsatz maschinellen Lernens in Metallhydridsystemen ein nützliches Werkzeug, um die Leistung zu steigern und den Aufwand zu verringern. Dieses innovative Konzept im Energiesektor verspricht, den Energiebedarf metallhydridbasierter Anlagen im Betrieb zu senken.

Zukunftsperspektiven der Wasserstoffenergie

Wasserstoff bietet großes Entwicklungspotenzial, insbesondere durch die Verbindung einer umweltfreundlichen Wasserstofferzeugung mit Fortschritten bei der Brennstoffzellentechnologie. Zu den möglichen Durchbrüchen zählt „grüner“ Wasserstoff, dessen Erzeugung mit Windenergie unter anderem laut Angaben mehrerer Industrieunternehmen die Kohlenstoffemissionen senkt. Die Forschung konzentriert sich derzeit auf die Entwicklung von Protonenaustauschmembran-Elektrolyseuren (PEM), um deren Wirkungsgrad und damit die gesamte Wasserstoff-Förderleistung zu verbessern.

Bei der Nutzung von Brennstoffzellen in Fahrzeugen wurden erhebliche Fortschritte erzielt. Die Transport- und Automobilbranche hat einen Bedarf an einer weiteren Energiequelle in Form von Brennstoffzellen gezeigt. Bei der Entwicklung leichterer und leistungsfähigerer Brennstoffzellen wurden Fortschritte erzielt. Ihre verbesserte Fertigung und Funktionalität sind für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge besonders interessant, vor allem im Hinblick auf Energieeffizienz und Reichweite. Auch Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) werden zunehmend weiterentwickelt. Sie sind für den Betrieb bei höheren Temperaturen ausgelegt und ermöglichen den Einsatz von Brennstoffzellen über den Verkehrssektor hinaus, etwa in stationären Anwendungen.

Parallel dazu wird an Wasserstoffverteilnetzen gearbeitet. Pipelines werden gebaut, erweitert und modernisiert; außerdem entstehen in Gebieten mit hoher industrieller Nachfrage Wasserstoffregionen. Wenn sich die bisherige Entwicklung fortsetzt, könnte Wasserstoff innerhalb von zwei bis drei Jahrzehnten Teil der Lösung für globale Netto-Null-Emissionen werden.

Quellen

Quellenangaben

- 01
  
  Leistungsbewertung eines Wasserstoffverdichters mit Metallhydrid
  Mehr erfahren →
- 02
  
  Entwicklung eines Metallhydridverdichters für Hochdruckanwendungen bis 700 bar
  Mehr erfahren →
- 03
  
  Wasserstoffverdichter

FAQ

Häufig gestellte Fragen

Wie funktioniert die Wasserstoffspeicherung mit Metallhydrid-Wasserstoffverdichtern?

Bei einem Wasserstoffspeichersystem mit festen Hydriden wird Wasserstoff reversibel in Legierungen aufgenommen und wieder abgegeben. So lässt sich verdichteter Wasserstoff als Feststoff speichern. Metallhydrid-Wasserstoffverdichter unterscheiden sich dadurch, dass sie ohne Kolben verdichten. Die Verdichtung wird thermisch angetrieben oder erfolgt mithilfe von Metallhydriden, wobei Wärme abgeführt wird. So entsteht aus Niedertemperaturwärme Wasserstoff unter hohem Druck. Diese Systeme eignen sich besonders für hohe Verdichtungsverhältnisse und können mitunter hohe Gasdrücke erreichen: In Laboranwendungen wurden bis zu 70 MPa erreicht.

Kann ein Metallhydridsystem in Reaktorbauweise als Wasserstoffverdichter eingesetzt werden?

Ein Wasserstoffverdichter lässt sich in einen Reaktorblock mit Metallhydriden integrieren und nutzt dabei Temperatur- und Druckwechsel. Dadurch wird Wasserstoff aufgenommen und wieder abgegeben, ohne dass mechanische Bauteile erforderlich sind. Solche Reaktorsysteme können thermisch angetrieben werden oder nach Metallhydrid- und elektromechanischen Prinzipien arbeiten, um den Wasserstoffdurchsatz und seine Verdichtbarkeit zu erhöhen. Sie können außerdem mit Wärme geringer Qualität oder Abwärme statt mit Primärenergie betrieben werden. Dadurch eignen sie sich für die lokale Energieerzeugung.

Welche Vorteile bieten Speichersysteme mit Metallhydriden für die Wasserstoffverdichtung?

Speichersysteme mit Metallhydriden gelten in vielen Fällen als eine der besten und bequemsten Möglichkeiten, Wasserstoff zu speichern, zu verdichten und zu transportieren. Der Wasserstoff wird dabei als Feststoff in Form einer Metall-Wasserstoff-Phase im Werkstoff der Elemente gespeichert. Darüber hinaus ermöglichen solche Systeme mit Metallhydridtechnik eine kompaktere Speicherung von Wasserstoff und kommen mit niedrigeren Drücken aus als mechanische Wasserstoffverdichter zur Energiespeicherung. Ein neues, erweitertes Konzept der hybriden Verdichtung ermöglicht den Einsatz eines Metallhydrids mit drei unterschiedlichen Funktionen.

Wie ermöglicht die Wasserstoffaufnahme und -abgabe die Verdichtung in metallhydridbasierten Wasserstoffanlagen?

Die Aufnahme und Abgabe von Wasserstoff durch ein Fischer–Tropsch-Metall ermöglicht Dekompressionseffekte. Die Aufnahme erfolgt bei niedrigerem Druck, während die Abgabe einsetzt, wenn das Metall bei höherem Druck erhitzt wird. Dadurch kann Wasserstoff gefördert werden, ohne Kolben zu bewegen. Das Verfahren lässt sich durch geeignete Legierungen weiter verbessern, die Hydride enthalten und zugleich gute thermodynamische Eigenschaften für die Wasserstoffspeicherung aufweisen. Auch Abwärme oder elektrochemische Prozesse können zur Regelung von Temperaturschwankungen und zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Wasserstofffreisetzungsrate eingesetzt werden.