Durchbruch bei der Wasserstoff-Speicherung - Trennung, Speicherung und zum Transport großer Gasmengen ohne Abfall.
Die derzeitige Art, Wasserstoff zu speichern,
erfolgt in einem Hochdrucktank oder durch Abkühlung des Gases in eine flüssige
Form. Beides erfordert große Mengen an Energie sowie gefährliche Prozesse und
Chemikalien. Weltweit forscht man an einer Möglichkeit zur sicheren und
wirtschaftlichen Speicherung von Wasserstoff.
Australische Forscher haben nun einen neuartigen
Weg gefunden, große Gasmengen sicher zu trennen, zu speichern und zu
transportieren, der sich als das fehlende Puzzlestück für erneuerbaren
Wasserstoff erweisen könnte. Entwickelt wurde das Verfahren nicht in Hinblick
auf die Wasserstoff-Speicherung, sondern war als Alternative zur
energieintensiven Kyrotechnik in der Erdölverarbeitung vorgesehen. Es eignet
sich laut Aussagen der Forscher aber auch hervorragend für die Speicherung von
Wasserstoff und könnte somit einen bedeutenden Fortschritt für die globale
Energiewende darstellen, wie das Technologiemagazin New Atlas berichtete.
Es gibt keine Abfälle, der Prozess erfordert keine scharfen Chemikalien und erzeugt keine Nebenprodukte. Das bedeutet, dass man Wasserstoff überall lagern und immer dann verwenden kann, wenn er gebraucht wird.
Der Durchbruch ist der Höhepunkt von drei Jahrzehnten Arbeit unter der Leitung von Alfred Deakin Professor Ying (Ian) Chen, IFM-Lehrstuhl für Nanotechnologie, und seinem Team.
Neue Methode "Kugelfräsen".
Die neue Methode heisst "Kugelfräsen". Sie dient zur Speicherung von
Gas in einem speziellen Nanomaterial bei Raumtemperatur. Die Methode beruht auf
mechanisch-chemischen Reaktionen, d. h. es werden Maschinen eingesetzt, um
ungewöhnliche Reaktionen zu erzeugen. Das Team ist der Ansicht, dass die
Entdeckung dazu beitragen könnte, das zentrale Problem der
Wasserstoffspeicherung zu lösen, das derzeit ein großes Hindernis für die Verbreitung
darstellt.
Der Durchbruch stellt eine derartige Abweichung von der gängigen Meinung über Gastrennung und -speicherung dar, dass einer der leitenden Forscher, Dr. Srikanth Mateti, sagte, er habe sein Experiment 20 bis 30 Mal wiederholen müssen, bevor er es selbst wirklich glauben konnte. "Wir waren so überrascht, dass wir dies beobachten konnten, aber jedes Mal, wenn wir genau das gleiche Ergebnis erhielten, war es ein Heureka-Moment", sagte Mateti.
Die besondere Zutat für das Kugelmahlverfahren ist Bornitridpulver, das zwar klein ist, aber eine große Oberfläche für die Absorption hat. Das Bornitridpulver wird zusammen mit den zu trennenden Gasen in eine Kugelmühle gegeben, die im wesentlichen ein Mahlwerk mit kleinen Edelstahlkugeln in einer Kammer ist. Während sich die Kammer mit immer höherer Geschwindigkeit dreht, löst der Zusammenstoß der Kugeln mit dem Pulver und der Kammerwand eine mechanisch-chemische Reaktion aus, die dazu führt, dass das Gas im Pulver absorbiert wird, so die Forscher.
Verschiedene Arten von Gasen werden mit
unterschiedlichen Geschwindigkeiten in das pulverförmige Material absorbiert,
so dass sie durch Wiederholung des Prozesses leicht voneinander getrennt werden
können.
Eine Gasart wird schneller absorbiert, wodurch sie von den anderen Gasen
getrennt wird und leicht aus der Mühle entfernt werden kann. Der Prozess kann
über mehrere Stufen wiederholt werden, um die Gase einzeln abzutrennen.
Insgesamt verbraucht das Verfahren 76,8 KJ/s für die Speicherung und Abtrennung von 1.000 Litern Gasen, d. h. es verbraucht mindestens 90 % weniger als das derzeit in der Erdölindustrie übliche Verfahren zur Gastrennung.
Noch wichtiger ist, dass das Gas, sobald es im
Pulver absorbiert ist, sicher und einfach transportiert werden kann. Wenn das
Gas benötigt wird, kann das Pulver einfach in einem Vakuum erhitzt werden, um
das Gas unverändert freizusetzen.
Das Bornitrid-Pulver kann mehrfach wiederverwendet werden, um denselben Prozess
der Gastrennung und -speicherung immer wieder durchzuführen. Es fällt kein
Abfall an, das Verfahren erfordert keine scharfen Chemikalien und erzeugt keine
Nebenprodukte. Bornitrid selbst ist als Chemikalie der Stufe 0 eingestuft, d.
h. man kann es unbedenklich im Haus haben. Das bedeutet, dass man Wasserstoff
überall lagern und bei Bedarf verwenden kann.
Die Forscher beschreiben die Methode als eine "bemerkenswert hohe Gasspeicherfähigkeit". Dies sei auf die neuartige Art und Weise zurückzuführen, in der die Gasmoleküle während des Kugelmahlprozesses am Pulver haften bleiben und nicht zerbrechen. Der Gasabsorptionsprozess beim Kugelmahlen verbraucht 76,8 KJ/s, um 1000 Liter Gas zu speichern und zu trennen. Das sind mindestens 90 % weniger als die Energie, die bei dem derzeitigen Trennverfahren der Erdölindustrie, der so genannten kryogenen Destillation, verbraucht wird.
Sobald ein Gas, wie z. B. Wasserstoff, in dem festen Material absorbiert ist, kann es sicher und einfach transportiert werden, sagen die Forscher. Wenn das Gas benötigt wird, wird das Pulver einfach in einem Vakuum erhitzt, um das Gas unverändert freizusetzen. Der Durchbruch ist der Höhepunkt von drei Jahrzehnten Arbeit unter der Leitung von Professor Ying (Ian) Chen, dem Lehrstuhl für Nanotechnologie am Deakin Institute for Frontier Materials, und seinem Team.
Die Forscher zeigen, dass es eine mechanisch-chemische Alternative gibt. Sie erfordert weder hohen Druck noch niedrige Temperaturen, so dass sie einen viel billigeren und sichereren Weg zur Entwicklung von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen bieten würde.
Bislang konnte das Deakin-Team sein Verfahren nur in kleinem Maßstab testen und etwa zwei bis drei Liter Material abtrennen. Das Team hofft auf die Unterstützung der Industrie, damit die Entdeckung zu einem vollständigen Pilotversuch ausgeweitet werden kann. Ein vorläufiger Patentantrag für ihr Verfahren wurde bereits eingereicht, und die bahnbrechenden Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Materials Today veröffentlicht.
"Wir müssen diese Methode mit der Industrie weiter validieren, um eine praktische Anwendung zu entwickeln", so Chen. "Um das Verfahren vom Labor in einen größeren industriellen Maßstab zu überführen, müssen wir nachweisen, dass es kostensparend, effizienter und schneller ist als herkömmliche Methoden der Gastrennung und -speicherung".
Um die Methode in größerem Maßstab anwenden zu können, müssen die Forscher insbesondere den Mahlprozess perfektionieren.
Es gibt einen "Sweet Spot" beim Mahlen, der die gewünschten schwächeren chemischen Reaktionen hervorruft, ohne stärkere Reaktionen zu erzeugen, die die Gasmoleküle zerstören können", schreiben Chen und Mateti in einem begleitenden Artikel. "Wir müssen auch herausfinden, wie wir die beste Speicherrate für jedes Material auf der Grundlage der Mahlintensität und des Drucks der Gase erreichen können."
Revolution für die Industrie?
Die neue Technologie steckt zweifelsohne noch in
den Kinderschuhen. Dennoch ist die Entdeckung der australischen Wissenschaftler
erstaunlich und kann potenziell weitreichende Auswirkungen für die Zukunft der
Energieversorgung haben. Eine Speicherung von Wasserstoff, die ohne großen
Energieaufwand auskommt und eine sichere Einlagerung sowie unkomplizierten
Transport ermöglicht, gilt einer Revolution.
Den Forschern ist bewusst, dass es noch ein langer Weg sein wird, bis die gewonnenen Erkenntnisse eine Nutzung als Treibstoff in der Mobilität ermöglichen. Es erfordere noch viel Arbeit, einen Tank zu entwickeln, mit dem die Freisetzung des Wasserstoffes kontrolliert und mobil erfolgen kann, so Chen.
Um das Verfahren vom Labor in einen größeren industriellen Maßstab zu überführen, muss es kostengünstiger, effizienter und schneller als herkömmliche Methoden der Gastrennung und -speicherung sein.
Eine weitere Anwendung: die Wasserstoff Powerpaste.