Katalysator-Technologie für den mobilen Einsatz von flüssigen Wasserstoffspeichern entwickelt

07.06.2022 - Deutschland

Das Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut (HHI) und das Helmholz-Institut Erlangen-Nürnberg (HI ERN) haben im Forschungsprojekt „Leistungsdichte Wasserstoff-Freisetzung aus LOHC-Systemen auf mobilen Plattformen“ einen effizienten und stabilen Flächen-Katalysator für die Freisetzung von Wasserstoff aus flüssigen Speichermaterialien entwickelt. Mit diesem Katalysator legen die Forschenden den Grundstein für den mobilen Einsatz der Liquid-Organic-Hydrogen-Carrier (LOHC)-Technologie am Beispiel des Schienenverkehrs. So können in der Zukunft bisherige Dieselzüge durch moderne Alternativen mit emissionsarmem Wasserstoff ersetzt werden. Die Entwicklung der Katalysator-Technologie ist Teil des Großprojekts „Emissionsfreier und stark emissionsreduzierter Bahnverkehr auf nicht-elektrifizierten Strecken“, das vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie mit 28 Millionen Euro gefördert wird.

40 Prozent des deutschen Schienennetzes sind noch nicht elektrifiziert. Ein Großteil davon wird auch zukünftig nicht für Elektroloks befahrbar sein, da eine kollektive Elektrifizierung sehr kosten- und zeitintensiv ist. Die LOHC-Technologie bietet hier eine Alternative. Sie kann als Transportvektor für grünen Wasserstoff Emissionen einsparen und zugleich die Infrastruktur des Zugverkehrs weitgehend beibehalten.

Beim LOHC-Verfahren wird gasförmiger Wasserstoff an eine ungefährliche Trägerflüssigkeit gebunden, die sich sicher lagern und transportieren lässt. Mithilfe von Wärme kann der gebundene Wasserstoff in einer katalytischen Reaktion wieder freigesetzt werden. Die organische Trägerflüssigkeit wird dabei nicht verbraucht und lässt sich sehr oft wiederverwenden. Von ihrer Handhabung und den physikalischen Eigenschaften her ähnelt die ölige Substanz üblichen Kraftstoffen und kann mit Tanklastern und Zügen einfach transportiert werden.

Die LOHC-Technologie ist seit einigen Jahren gut erforscht. Allerdings gab es noch keine sogenannten ‚Wasserstofffreisetzer‘, die den Prozess effizient für mobile Anwendungen durchführen konnten. Das Forschungsteam aus Fraunhofer HHI und HI ERN hat nun einen Apparat entwickelt, der den Prozess der Wasserstofffreisetzung auf ein reproduzierbares sowie skalierbares Niveau bringt. Darüber hinaus wird eine deutliche Erhöhung der Leistungsdichte im Vergleich zu herkömmlichen Wasserstofffreisetzern erreicht.

Das Herzstück des Apparats ist ein sogenannter Flächenkatalysator. Katalysatoren brauchen möglichst viel Fläche, um Wasserstoff effizient freizusetzen. Bisherige Verfahren arbeiten dafür mit porösen Pellets. Diese Pelletkatalysatoren nutzen sich jedoch im mobilen Einsatz schnell ab, da die mechanische Stabilität der Pellets nicht hoch genug ist.

Für den Flächenkatalysator werden Aluminiumplatten mithilfe eines Femtosekundenlasers strukturiert und anschließend mit ganz feinen Platinpünktchen beschichtet. Die Oberfläche der strukturierten Platte bietet so eine große innere Oberfläche und kann mit diesem Prozess um 7.000 bis 10.000-mal vergrößert werden. Mit einer derartigen Strukturierung bieten selbst kleine Aluminiumplatten genügend Fläche für eine effektive Wasserstofffreisetzung. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist, dass bestehende und industriell erprobte Wärmetauscher-Technologien zu Wasserstofffreisetzern umgewandelt werden können. Dies ermöglicht den Forschenden, die Technologie kostengünstig und schnell in die Anwendung zu bringen.

Im Auftrag des HI ERN fertigt die Abteilung „Faseroptische Sensorsysteme“ des Fraunhofer HHI momentan weitere Flächenkatalysatoren, die auch für den Bau eines ersten Demonstrator-Zuges, der mit Wasserstoff angetrieben werden wird, einsetzbar wären.

https://www.chemie.de/news/1176379/katalysator-technologie-fuer-den-mobilen-einsatz-von-fluessigen-wasserstoffspeichern-entwickelt.html