Brennstoffzellen 11.02.2021, 14:33 Uhr

Der Wasserstoff kommt künftig aus der Tube

Fraunhofer-Forschende in Dresden haben einen pastenförmigen Speicher für Wasserstoff entwickelt, der einfach zu lagern ist und keine sperrigen Tanks benötigt. Die Energiedichte ist weitaus höher als bei Batterien. Sie stellt selbst Benzin in den Schatten.

Powerpaste. Bild: Fraunhofer IFAM

Powerpaste. Bild: Fraunhofer IFAM

Pedelecs und Elektroroller beziehen ihren Strom aus Brennstoffzellen! Geht nicht, wird fast jeder sagen. Wie sollen sie schwere und sperrige Druck- oder Kryotanks für Wasserstoff transportieren? Geht doch, meinen dagegen Forschende am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden. Ein Team um Lars Röntzsch und Marcus Vogt hat die Powerpaste entwickelt, einen revolutionären Speicher für Wasserstoff. Sie wird wie Druckertinte in Kartuschen gepresst. Bei gängigen Temperaturen und normalem Luftdruck bleibt der Wasserstoff jahrelang erhalten; vorausgesetzt, der Behälter ist luft- und wasserdicht. Nicht nur Kleinfahrzeuge können von der Paste profitieren, sondern auch ausgewachsene Autos.

Paste und Wasser gibt Wasserstoff

Wasserstoff wird frei, wenn die Paste mit Wasser in Berührung kommt. Die eine Hälfte liefert das Magnesiumhydrid als wichtigster Bestandteil der Paste, die andere das Wasser. Übrig bleibt Magnesiumhydroxid, ein weißes Pulver, das als Zusatz zu Speiseölen, bei der Abwasseraufbereitung, als Flammschutz in Kunststoffen und als Zusatz zu Reinigungsmitteln genutzt wird. Es lässt sich auch in Magnesiumhydrid zurückverwandeln, sodass der Kreislauf geschlossen wird.

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Elektrofahrzeuge beziehen ihre Energie derzeit fast ausschließlich aus Batterien. Das hat zwei Gründe. Brennstoffzellen, die Strom und nebenbei noch Wärme produzieren, sind noch zu teuer. Zudem sind die Tanks sperrig und schwer. Wenn der Wasserstoff gasförmig transportiert werden soll, wird er mit einem Druck von 700 bar hineingepumpt. Entsprechend massiv müssen die Wände sein, was einen negativen Einfluss auf Gewicht und Größe hat. Kryotanks, in denen das Gas bei einer Temperatur von – 253 °C und normalem Luftdruck gelagert wird, sind nicht so schwer, dafür aber voluminös, weil sie extrem gut wärmeisoliert sein müssen.

Zehnmal höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Akkus

Bei der Powerpaste ist alles anders. Sie wird in dünnwandigen Kartuschen bei normaler Temperatur und drucklos gelagert. Dazu kommt, dass die Energiedichte der Powerpaste höher ist als die von Benzin, Methanol und vor allem Lithium-Ionen-Batterien. Während die Akkus gerade mal auf etwa 160 Wh/kg kommen, ist es bei der Powerpaste das Zehnfache. Auch bei der Leistung pro Volumeneinheit schneidet die Paste besser ab als die Konkurrenz. Sie kommt auf fast 2 000 Wh/l. Bei Batterien sind es gerade mal 300 Wh/l. Das bedeutet, dass es ein Leichtes ist, auf Reichweiten zu kommen, die denen von Benzin- oder Dieselfahrzeugen entspricht.

Auch das „Tanken“ ist vom Zeitaufwand her vergleichbar. Der Wasserbehälter wird gefüllt, die Kartusche gegen eine neue mit frischer Powerpaste ausgetauscht und der Behälter mit dem Abfallprodukt Magnesiumhydroxid geleert, sodass es recycelt oder anderweitig eingesetzt werden kann.

Die erste Produktionsstätte entsteht in Braunschweig

Erster Schritt bei der Herstellung der hellgrauen Powerpaste ist eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Magnesium. Bei einem Druck von 6 bar und einer Temperatur von 350 °C entsteht Magnesiumhydrid. Es wird zusammen mit einem Carbonsäureester, wie er beispielsweise in vielen Früchten vorkommt, und geringen Mengen eines Metallsalzes zu einer Paste vermahlen, die etwa 70 % Magnesiumhydrid enthält. Diese wird unter Luft- und Wasserabschluss in einen Behälter beliebiger Form gepresst. Ein Stempel drückt, ähnlich wie bei einer Tube Zahnpasta, kontinuierlich kleine Mengen heraus, die mit dem hinzugegebenen Wasser reagieren.

TRL5-Demonstrator eines Stromgenerators mit eingelegter Powerpaste-Kartusche und 100-W-PEM-Brennstoffzelle. Bild: Fraunhofer IFAM

Am Fraunhofer-Projektzentrum für Energiespeicher und Systeme (ZESS) in Braunschweig bauen die Dresdner Forschenden derzeit eine Anlage auf, die ab Ende 2021 jährlich 4 t Powerpaste produzieren soll. Die Kartuschen sollen in Fahrzeugen getestet werden, die bereits serienmäßig mit Brennstoffzellen ausgestattet sind. In Deutschland sind Modelle von Toyota, Hyundai und Daimler zu haben.

Von Wolfgang Kempkens