Wasserstoff speichern in Öl: Forscher entwerfen die nächste LOHC-Generation
Die deutsche LOHC-Branche wartet noch auf ihren Durchbruch. Nun holen sich Forschende aus Aachen und Erlangen Inspiration bei einem unerwarteten Vorbild aus der Natur. Eröffnet das der Technik neue Perspektiven?
Flaschen mit LOHC bei einer Pressekonferenz im Jahr 2020.
Foto: picture alliance/dpa | Timm Schamberger
In jedem Kuhmagen, in jedem Sumpf setzen Bakterien Wasserstoff um; ganz ohne Hitze, Kälte oder Hochdruck. Die chemische Industrie dagegen braucht für dasselbe Prinzip Öfen, Druckbehälter und seltene Edelmetalle. Diese Kluft wollen Forschende aus Aachen und Erlangen nun verkleinern.
Denn Wasserstoff ist zwar ein Hoffnungsträger für Industrie und Verkehr, doch als leichtestes Element im Periodensystem schwer zu transportieren. Als Alternative zu Hochdruck- und Flüssigtransport gelten seit einigen Jahren Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHC). Die ölartigen Flüssigkeiten können Wasserstoff binden und bei Bedarf wieder abgeben. Doch die Industrialisierung läuft schleppend; eine kommerzielle Großanlage ist bis heute nicht in Betrieb. Im Februar musste der 2013 gegründete deutsche Marktführer Hydrogenious LOHC aus Erlangen rund die Hälfte seiner Belegschaft entlassen.
Eine aktuelle Studie der RWTH Aachen und des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg (HI-ERN) skizziert, wie die nächste Generation des Trägerstoffs aussehen könnte. Dabei schauen sich die Forscher genau an, wie Wasserstoff in der Natur umgesetzt wird.
Inhaltsverzeichnis
Wie LOHC funktioniert
Die klassische Metapher für LOHC ist die Pfandflasche. Denn bei dem Prozess wird ein Trägeröl befüllt, geleert und wieder befüllt, und das theoretisch Hunderte Male.
- Bei der Beladung, der Hydrierung, bindet ein Katalysator den Wasserstoff chemisch an das Trägermolekül. Als Faustregel gilt, dass ein Liter LOHC dabei rund 660 l Wasserstoff fasst.
- Der beladene Stoff lässt sich ähnlich wie Diesel bei Umgebungsbedingungen lagern und transportieren.
- Am Ziel wird der Wasserstoff durch Dehydrierung wieder freigesetzt, das Öl bleibt erhalten und kann von Neuem beladen werden. Diese Grundidee verfolgt Hydrogenious seit über zehn Jahren.
Woran es noch hakt
Für die Freisetzung/Dehydrierung sind hohe Temperaturen nötig, im Fall des gut untersuchten LOHC-Systems N-Ethylcarbazol etwa zwischen 150 und 250 °C. Das dient auch der Sicherheit – bleibt die Wärme aus, stoppt die Freisetzung –, treibt aber die Prozesskosten in die Höhe.
Denn das Verfahren braucht auch Katalysatoren aus knappen Edelmetallen wie Platin, Palladium oder Ruthenium. Weil der Wärmebedarf so hoch ausfällt, übersteigen die laufenden Betriebskosten (OPEX) einer Dehydrieranlage laut Studie typischerweise sogar deren Investitionskosten (CAPEX)
Was die Natur besser kann
Mikroorganismen setzen Wasserstoff mithilfe von Enzymen um, den Hydrogenasen, und zwar bei Umgebungstemperatur und mit häufigen Metallen wie Eisen und Nickel statt mit teurem Platin. „Biologische Katalysatoren zeigen uns, wie Wasserstoff unter milden Bedingungen hochselektiv umgewandelt werden kann“, so Lars Lauterbach vom Institut für Angewandte Mikrobiologie der RWTH Aachen. Solche Designprinzipien könnten aus seiner Sicht den Weg für eine neue Generation von LOHC-Systemen ebnen.
Zusammengeführt werden beide Welten im WSS Research Centre catalaix: auf der einen Seite Lauterbachs Expertise in biologischen Wasserstoff-Katalysatoren, auf der anderen das Team um Peter Wasserscheid am HI-ERN, das die LOHC-Technologie einst miterfand. Wasserscheid ist übrigens zugleich Mitgründer von Hydrogenious.
Vier Prinzipien aus der Zellbiologie
Die Studie, ein Übersichtsartikel in der Fachzeitschrift Renewable and Sustainable Energy Reviews, stellt noch kein fertiges Molekül vor, sondern einen konzeptionellen Rahmen. Als Modell diente das intensiv erforschte LOHC-Molekül N-Ethylcarbazol, dessen Stickstoffatom den biologischen Vorbildern strukturell ähnelt. Anders als die industriell genutzten Trägeröle ist der wasserstoffarme Stoff bei Raumtemperatur allerdings fest – und damit selbst kein idealer Träger für den kommerziellen Gebrauch.
- Maßgeschneiderte Mikroumgebung: In Enzymen schirmt eine Proteintasche das reaktive Zentrum ab und unterdrückt Nebenreaktionen. Über Ligandenhüllen oder poröse Träger nachgebaut, ließen sich unerwünschte Ablagerungen am Katalysator vermeiden.
- Redox-Vermittler: Eisen-Schwefel-Cluster reichen in der Zelle Elektronen mit minimalem Energieverlust weiter. Ähnliche Zwischenstationen könnten die nötige Reaktionstemperatur senken.
- Protonengekoppelter Elektronentransfer (PCET): Enzyme koppeln den Transport von Protonen und Elektronen eng aneinander und können so energetisch ungünstige Zwischenzustände vermeiden. Dasselbe Prinzip könnte die Freisetzung auch bei milderen Bedingungen steuern.
- Gekoppelte Reaktionen: In Zellen wird ein energieliefernder mit einem energiezehrenden Schritt verknüpft, um Verluste kleinzuhalten. Analog ließe sich die Dehydrierung mit einem internen Kreislauf koppeln.
Konkurrenz aus Salz und Ammoniak
Ob diese Ansätze je in einer realen Anlage landen, ist offen. Es handelt sich um Grundlagenforschung, deren Umsetzung Jahre dauern dürfte. Und selbst dann muss sich LOHC gegen andere Trägerstoffe behaupten.
Für den Seetransport über weite Strecken führt bislang kaum ein Weg an Ammoniak vorbei. Rund 20 Mio. t werden laut dem Chemieanlagenbauer thyssenkrupp Uhde jährlich verschifft, etwa 130 Häfen sind darauf eingerichtet. Methanol gilt ebenfalls als Kandidat, ist aber umstritten, weil beim Rückgewinnen des Wasserstoffs erneut CO2 anfällt. Und in Rostock bindet das Start-up Akros Energy Wasserstoff an ein Pendant zu Backpulver. Auch dieses Verfahren nutzt einen Ruthenium-Katalysator.
Der Vorteil von LOHC liegt ohnehin eher auf kürzeren bis mittellangen Strecken, etwa vom Hafen ins Hinterland. Doch auch dort muss man LOHC-Projekte heute noch mit der Lupe suchen. Sollten die in Aachen und Erlangen untersuchten Prinzipien der Biologie die LOHC-Katalyse tatsächlich günstiger machen, wäre das ein Argument für den Wasserstoff-Transport im Öl gegenüber anderen Trägerstoffen.
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