Brennstoffzellen 30.10.2018, 08:57 Uhr

Wasserstoffspeicher aus Bambus: Klein, leicht und drucklos

Brennstoffzellen benötigen Wasserstoff. Doch der lässt sich nur mit großem Aufwand speichern und transportieren. Forscher der Universität Hohenheim haben nun einen leichten adsorptiven Wasserstoffspeicher aus Bambus entwickelt – für weniger Gewicht und mehr Nachhaltigkeit.

Ein Löffel mit Aktivkohle ist zu sehen, wobei diese in ein Metallgefäß gefüllt wird.

Wasserstoffspeicher aus Bambus brauchen im Gegensatz zu herkömmlichen Speichern weniger Platz und arbeiten bei niedrigem Druck.

Foto: Universität Hohenheim/Astrid Untermann

Wasserstoff ist ein wichtiger Energieträger für Fahrzeuge mit entsprechenden Brennstoffzellen. Neben der Druck- und der Flüssigwasserstoffspeicherung setzen die Fahrzeugbauer auf Metallhydridspeicher. Die adsorptive, drucklose Speicherung verwendet hingegen Zeolithe oder Kohlenstoffverbindungen. Doch alle Strategien haben ihre Schwächen. Sie benötigen entweder großvolumige Tanks oder schwere Druckbehälter: zwei große Einschränkungen im Bereich der Elektromobilität. Jetzt zeigen Forscher der Universität Hohenheim in Stuttgart, wie sich leichte Aktivkohle als Speicher herstellen lässt. Das Verfahren gliedert sich in unterschiedliche Teilschritte.

Kohlenstoff auf nassem oder trockenem Wege

Den Kohlenstoff selbst stellten Wissenschaftler aus einer natürlichen Quelle her, nämlich aus Bambus. Bei der „langsamen Pyrolyse“ erhitzten sie zermahlenes Pflanzenmaterial bei 500 Grad Celsius drei Stunden lang. Die Apparatur enthält Stickstoff als Schutzgas, um Oxidationen zu vermeiden und um die Ausbeute zu erhöhen. Kohlepulver entsteht dabei als unreines Zwischenprodukt.

Im Unterschied dazu handelt es sich bei der hydrothermalen Karbonisierung um ein nasses Verfahren. Bambus kommt zusammen mit Wasser in einen Autoklav. Nach 3 Stunden bei 250 Grad Celsius haben Hitze und Wasserdampf Teile der organischen Substanz hydrolysiert. Dieses Verfahren hat einen Vorteil. Hier wird nicht nur aus Holz, sondern auch aus Bambusblättern der begehrte Rohstoff für Wasserstoffspeicher. Das verursacht weniger Abfall und macht die Prozesse noch effizienter.

Aktivierung des Rohprodukts

Im nächsten Schritt mussten die Entwickler ihre Karbonisierungsprodukte noch aktivieren, um eine möglichst große Oberfläche zu schaffen. Sie versetzten das Zwischenprodukt mit Kalilauge und trennten Überschüsse der Chemikalie per Filtration ab. Dann folgte ein Trocknungsschritt bei 600 Grad Celsius. Jedes Kaliumion erzeugt aufgrund seines typischen Ionoenradius ein kleines Loch im Graphitgitter, die Mikropore. Anschließend wurde die Aktivkohle mit verdünnter Säure gespült, um die Kalilauge zu neutralisieren. Die entstehenden Salze sind wasserlöslich und lassen sich abtransportieren.

Platz für die dreifache Gasmenge

Nach dem Trocknen ist das Adsorbens einsatzbereit. Seine Mikroporen bilden den Raum, in dem sich das bis zu 3-fache Gasgewicht speichern lässt, verglichen mit kommerziellen Aktivkohlen.

Um adsorptive Speicher herzustellen, arbeitetet das Hohenheimer Team mit 3D-Druckern oder mit Sinterungsverfahren. Zuletzt entstanden handgroße, poröse Aktivkohle-Plätzchen. Sie haben pro 20 Gramm Gewicht eine innere Fläche von 6 Fußballfeldern. Bei 1,0 bar speichern solche Chips über 60 Gramm Wasserstoff. Ein weiterer Vorteil: Die Materialien arbeiten bei dem niedrigen Druck von 1,0 bar, so dass keine Druckbehälter erforderlich sind. Autos könnten in naher Zukunft leichter und kleiner gebaut werden. Noch hat die Sache allerdings einen Haken: Sie funktioniert nur bei Temperaturen von minus 196 Grad Celsius, also im Temperaturbereich von flüssigem Stickstoff. Es gibt also noch viel zu tun.

Ein Schritt in Richtung Nachhaltigkeit

Jenseits offener Fragen bewerten die Forscher ihren adsorptiven, drucklosen Wasserstoffspeicher schon heute als Beitrag zur Nachhaltigkeit. Der Kohlenstoff ist Teil geschlossener Stoffkreisläufe, und die Menge an Chemikalien bleibt überschaubar. Bambus-Abfälle ließen sich ebenfalls verwerten. Derzeit wird viel Material kompostiert oder verbrannt. Ihr nächstes Ziel sind biobasierte Elektroden für Brennstoffzellen. Mit HTCycle als Industriepartner könnte daraus früher oder später ein wirtschaftliches Verfahren werden.

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