Wasserstoff als eigener Kühler: Neuer Kompressor knackt das Hauptproblem der Metallhydride

Metallhydrid-Kompressoren gelten seit Jahren als interessante Alternative zu mechanischen Verdichtern. Ihr Grundprinzip ist bestechend: Bestimmte Metalllegierungen nehmen Wasserstoff auf und geben ihn unter veränderten Temperatur- und Druckbedingungen wieder ab. Aus diesem Wechselspiel lässt sich Kompressionsarbeit gewinnen – und zwar weitgehend thermisch statt primär elektrisch. Genau darin liegt ihr Reiz für eine künftige Wasserstoffwirtschaft. Denn dort zählen nicht nur hohe Drücke, sondern auch Effizienz, Robustheit und Systemintegration.

Trotzdem haben sich solche Systeme bislang nicht breit durchgesetzt, denn ihr Wärmetransport ist zu langsam. Ein gemeinsames Team der Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg (HSU) und des Helmholtz-Zentrums Hereon setzt genau an dieser Schwachstelle an. Die Forschenden schlagen ein Kompressorkonzept vor, bei dem Wasserstoff erstmals zwei Aufgaben zugleich übernimmt. Er ist nicht nur das zu verdichtende Medium, sondern auch das Fluid, das Wärme im System transportiert.

Direkter Wärmetransport mit Wasserstoff

Die Einschränkung konventioneller Metallhydrid-Kompressoren ist physikalisch gut bekannt. Damit das Metallhydrid Wasserstoff aufnimmt oder wieder freisetzt, muss Reaktionswärme schnell abgeführt beziehungsweise zugeführt werden. In klassischen Aufbauten geschieht das über indirekten Wärmetransport. Eine Heiz- oder Kühlflüssigkeit strömt an druckfesten Wänden oder internen Wärmeübertragern vorbei.

Gleichzeitig muss die Wärme durch Materialgrenzen in das Hydridbett hinein oder aus ihm heraus gelangen. Dazu kommt, dass Metallhydrid-Pulver nur eine geringe effektive Wärmeleitfähigkeit besitzt. Das bremst die Dynamik – und damit die Produktivität des gesamten Kompressors. Die Studie beschreibt dieses Problem als zentrale Grenze bisheriger Systeme.

Wasserstoff zirkuliert durch das Metallhydrid

Das neue Konzept umgeht genau diesen Flaschenhals. Statt Wärme nur indirekt über Bauteile und Wärmeübertrager in das Reaktionsbett zu bringen, zirkuliert Wasserstoff in einem geschlossenen Kreislauf direkt durch das Metallhydrid. Dort steht er in unmittelbarem konvektivem Kontakt mit dem Material und übernimmt den Wärmetransport selbst. Konkret arbeiten zwei Schleifen parallel: Eine kalte Wasserstoffschleife unterstützt die exotherme Aufnahme von Wasserstoff im Metallhydrid, indem sie Wärme abführt; eine heiße Schleife treibt die endotherme Freisetzung an, indem sie Wärme zuführt. Aufwendige interne Wärmeübertragerstrukturen im Druckbehälter lassen sich dadurch weitgehend vermeiden.

„Wir nutzen Wasserstoff nicht nur als Arbeitsmedium, sondern gleichzeitig als effektiven Wärmeüberträger. Dadurch lassen sich die bisher limitierten Wärmeleitungsprozesse umgehen und aufwendige interne Wärmeübertragerstrukturen vermeiden“, erläutert Lukas Fleming, Erstautor der Studie und Wissenschaftler am Hereon-Institut für Wasserstofftechnologie sowie an der Helmut-Schmidt-Universität.

Hydrogen-Loop mit hoher Produktivität

Das Modell zeigt, dass sich so sehr hohe Wärmeübergangsraten erzielen lassen; für den konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten nennt die Arbeit Werte zwischen 16 und 24 kW m^-2 K^-1. Der Wärmetransport wird damit nicht länger primär durch träges Leiten im Feststoff bestimmt, sondern durch einen aktiv bewegten Gasstrom. Das verändert die Logik des gesamten Verdichters. Die Forschenden bezeichnen das System als „Hydrogen Loop“.

In Simulationen erreicht dieses Konzept eine Produktivität von mehr als 200 Normlitern pro Stunde und Kilogramm Metallhydridmaterial. Zugleich kommt die Studie zu dem Ergebnis, dass der zusätzliche Strombedarf für das Gebläse, den das System im Unterschied zu idealisierten konventionellen Metallhydrid-Kompressoren benötigt, in geeigneten Betriebsbereichen durch Vorteile bei der Gesamtperformance aufgewogen werden kann. Das macht thermisch geprägte Konzepte interessant. Das gilt zumindest dort, wo passende Wärmequellen vorhanden sind.

Vorteil gegenüber mechanischen Kompressoren

Das ist mehr als ein akademischer Detailgewinn. Mechanische Kompressoren sind zwar heute Stand der Technik, doch sie bringen typische Nachteile mit: Wartungsaufwand, Geräuschentwicklung und das Risiko, den Wasserstoff im Prozess zu verunreinigen. Metallhydrid-Systeme arbeiten demgegenüber verschleißarm und nahezu geräuschlos.

Wenn es gelingt, ihre bisherige Schwäche beim Wärmetransport zu überwinden, könnten sie in Anwendungen attraktiver werden, bei denen robuste, saubere und energieeffiziente Verdichtung gefragt ist. Das gilt beispielsweise entlang künftiger Wasserstoffprozessketten, an Schnittstellen von Erzeugung und Speicherung oder überall dort, wo Abwärme sinnvoll genutzt werden kann. Entstanden ist die Studie im Projekt „Digitalisierte Wasserstoffprozesskette für die Energiewende“ (DigiHyPro), gefördert über dtec.bw aus Mitteln von NextGenerationEU.