Energienews – Übersicht

Aenert. Research Laboratory news
Wasserstoff ist ein reichlich vorhandener Stoff, der etwa 75 Prozent der Masse des Universums ausmacht. Es ist auch ein Element, das sicherlich eines Tages in größerem Umfang für den Fahrzeugantrieb eingesetzt werden wird. Um dieses Ziel zu erreichen, ist die Verbesserung der Lagermethoden von entscheidender Bedeutung, da die effiziente Lagerung dieses Materials eine anspruchsvolle Aufgabe ist und bestimmte Parameter erfüllen muss, um den Sicherheitsnormen zu entsprechen. Wasserstoff hat eine hohe Energie pro Masse, aber aufgrund seiner niedrigen Umgebungstemperatur eine niedrige Energie pro Volumeneinheit. Es kann physikalisch als Gas oder Flüssigkeit gespeichert werden. Die Speicherung in Form von Gas erfordert Hochdrucktanks. Wird es dagegen flüssig gelagert, benötigt es kryogene Temperaturen, da der Siedepunkt von Wasserstoff bei −252,8 °C liegt. Es kann auch auf der Oberfläche von Festkörpern oder in Festkörpern gespeichert werden. Eines haben alle verfügbaren Speichermöglichkeiten gemeinsam: Sie benötigen große Lagertanks. Bei stationären Anwendungen stellt dies kein so großes Problem dar. Wenn es jedoch um Mobilität mit Brennstoffzellenantrieb geht, wird es schwieriger, eine Reichweite von 200 bis 300 Kilometern zu ermöglichen und gleichzeitig ein sicheres und einfaches Auftanken zu ermöglichen.

Kürzlich ( 2021 ) haben Wissenschaftler am Fraunhofer einen wasserstoffbasierten Kraftstoff entwickelt, der für Kleinfahrzeuge geeignet ist. Der Kraftstoff basiert auf festem Magnesiumhydrid und heißt POWERPASTE. POWERPASTE wurde so konzipiert, dass es Wasserstoff in chemischer Form bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck speichern kann, um ihn dann bei Bedarf freizusetzen. Außerdem stellten die Wissenschaftler sicher, dass sich POWERPASTE erst bei Temperaturen um 250 °C zu zersetzen beginnt, was bedeutet, dass es selbst dann nicht zu einer Selbstentzündung kommt, wenn ein E-Scooter stundenlang der Sonne ausgesetzt ist. Darüber hinaus ist das Auftanken äußerst einfach: Es sind keine Tankstellen erforderlich, Autofahrer müssen lediglich eine leere Kartusche durch eine neue ersetzen und den Tank dann zu Hause oder unterwegs mit Leitungswasser auffüllen.

Das Ausgangsmaterial von POWERPASTE war Magnesium, ein reichlich vorhandenes Element und ein leicht verfügbarer Rohstoff. Magnesiumpulver wurde mit Wasserstoff gemischt, um Magnesiumhydrid in einem Prozess zu bilden, der bei 350 °C und fünf- bis sechsfachem Atmosphärendruck durchgeführt wurde. Anschließend fügten die Wissenschaftler einen Ester und ein Metallsalz hinzu, um das fertige Produkt zu bilden. In einem Fahrzeug eingebaut, wurde die POWERPASTE mittels eines Kolbens aus einer Kartusche gelöst. Durch Zugabe von Wasser aus einem Bordtank erzeugte die anschließende Reaktion Wasserstoffgas in einer Menge, die dem tatsächlichen Bedarf der Brennstoffzelle entsprach. Ein weiterer Vorteil war, dass nur die Hälfte des Wasserstoffs aus der POWERPASTE stammte, der Rest wurde durch das zugesetzte Wasser erzeugt, was die Energiespeicherdichte des Produkts erhöhte.

Wissenschaftler versuchen seit langem, wasserstoffbetriebene Motoren zu verbessern. Im Jahr 2019wurde eine leichte und flexible Brennstoffzelle auf Basis von Papiersubstrat und Al-Folie entwickelt, die durch Reaktion mit einer Elektrolytlösung während des Betriebs als In-situ-Wasserstoffquelle genutzt wurde. Aufgrund des gehemmten Hydroxyltransports durch das poröse Cellulosenetzwerk konnte die starke Al-Korrosionsreaktion trotz der Verwendung des stark alkalischen Elektrolyten kontrolliert werden, sodass die Brennstoffzelle mehr als 5 Stunden lang bei 0,83 V entladen werden konnte. Das Faradaysche und die Energieeffizienz lag bei bis zu 72 %. Die Flexibilität der Brennstoffzelle war auch bei unterschiedlichen Biegewinkeln recht gut. Aufgrund ihrer moderaten Leistungsabgabe eignete sich diese flexible Wasserstoff-Brennstoffzelle auf Papierbasis für den Betrieb verschiedener flexibler Geräte mit geringer Leistung, beispielsweise tragbarer Elektronik. Durch geeignete Stapelung der Brennstoffzellen könnte jedoch eine höhere Leistung erzielt werden.

Image: Schematic diagrams of the flexible hydrogen PBFC: (a) Working principle; (b) Exploded view of the cell structure



Source: Yifei Wang, Holly Kwok, Yingguang Zhang, Wending Pan/ Flexible hydrogen fuel cell fabricated on paper with embedded aluminium foil/ E3S Web of Conferences 83:01004, January 2019/ DOI:10.1051/e3sconf/20198301004/ Open Source This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Im Jahr 2022 bereitete ein Team von Wissenschaftlern Nafion-Membranen für die Wasserstoffsynthese aus Methanol vor, die aus zwei verschiedenen Nanokomposit-MF bestanden -4SC-Membranen und wurde mit Polyanilin (PANI) durch das Gießverfahren in zwei verschiedenen Polyanilin-Infiltrationsverfahren modifiziert. Die Betriebsbedingungen wurden hinsichtlich Stromdichte, Stabilität und Methanolkonzentration verbessert. Die Zellleistung wurde anhand verschiedener Parameter wie Methanolkonzentration, Wasser und Zellspannung analysiert. Der Energiebedarf für die Reinwasserelektrolyse wurde bei unterschiedlichen Temperaturen für die verschiedenen Membranen ermittelt. Es wurde gezeigt, dass PEM-Elektrolyseure eine bessere Wasserstoffproduktion von 30 ml/min liefern und bei 160 mA/cm ² arbeiten . Es wurde festgestellt, dass die Methanol-Wasser-Elektrolyse weniger Strom benötigt als die reine Wasserelektrolyse. Der Stromverbrauch bei der Methanolelektrolyse betrug 2,34 kWh/kg Wasserstoff. Dies war um ein Vielfaches geringer als die elektrische Energie, die zur Herstellung von 1 kg Wasserstoff durch Wasserelektrolyse benötigt wird.

Image: SEM images of the surface of the MF-4SC membrane (a) and composite membrane MF-4SC/PANI-3H* (b). SEM images of the cross section of an MF-4SC membrane (c) and composite membrane MF-4SC/PANI-3H* (d)



Source: Carlos Sanchez, Francisco J. Espinos, Arturo Barjola, Jorge Escorihuela/ Hydrogen Production from Methanol–Water Solution and Pure Water Electrolysis Using Nanocomposite Perfluorinated Sulfocationic Membranes Modified by Polyaniline/ Polymers 14(21):4500, October 2022/ DOI:10.3390/polym14214500/ Open Source This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Power Paste ist aus mehreren Gründen eine vorteilhafte Erfindung: Erstens verfügt es über eine hohe Energiespeicherdichte, die erheblich ist höher als der eines 700-bar-Hochdrucktanks.Und im Vergleich zu Batterien verfügt es über eine zehnmal höhere Energiespeicherdichte. Seine hohe Energiespeicherdichte macht es auch zu einem geeigneten Kraftstoff für Autos, Lieferfahrzeuge und Range Extender in batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen. POWERPASTE könnte auch die Flugzeit großer Drohnen deutlich verlängern, was es besonders für Vermessungsarbeiten wie die Inspektion von Forstwirtschaft oder Stromleitungen nützlich machen würde. Die Paste bietet nicht nur eine hohe Reichweite, sondern erfordert auch keine teure Infrastruktur. Gibt es keine Wasserstoffstationen, könnten Tankstellen ihn stattdessen auch einfach in Kartuschen oder Kanistern verkaufen, da die Paste flüssig und pumpbar ist. Solche Tankstellen könnten zunächst kleinere Mengen POWERPASTE, beispielsweise in einem Metallfass, liefern und dann entsprechend der Nachfrage erweitern. Dies würde einen deutlich geringeren Investitionsaufwand erfordern als für die herkömmliche Wasserstoffspeicherung. Zudem lässt sich die Paste günstig transportieren, da weder teure Hochdrucktanks noch extrem kalter flüssiger Wasserstoff zum Einsatz kommen.

Das Fraunhofer IFAM baut derzeit eine Produktionsanlage für POWERPASTE am Fraunhofer-Projektzentrum für Energiespeicher und -systeme ZESS. Diese Anlage soll 2021 den Betrieb aufnehmen und bis zu vier Tonnen davon pro Jahr produzieren können – nicht nur für E-Scooter.

Von der Redaktion