Wasserstoffspeicherung in Kohle kann saubere Energiewirtschaft unterstützen
Die Entwicklung von Wasserstoffspeichern in Kohlebergbaugemeinden könnte neue wirtschaftliche Möglichkeiten eröffnen
Die Suche nach der Entwicklung von Wasserstoff als sauberer Energiequelle, die unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern könnte, könnte zu einem unerwarteten Ort führen - Kohle. Ein Team von Wissenschaftlern der Penn State University hat herausgefunden, dass Kohle eine potenzielle Möglichkeit zur Speicherung von Wasserstoffgas darstellt, ähnlich wie Batterien Energie für die künftige Nutzung speichern, und damit eine große Hürde bei der Entwicklung einer sauberen Energieversorgungskette überwunden werden kann.
"Wir haben herausgefunden, dass Kohle eine geologische Wasserstoffbatterie sein kann", sagte Shimin Liu, außerordentlicher Professor für Energie- und Mineraltechnik an der Penn State. "Man könnte die Wasserstoff-Energie einspeisen und speichern und hätte sie zur Hand, wenn man sie braucht.
Wasserstoff ist ein sauber brennender Brennstoff, der sich für den Einsatz in den energieintensivsten Sektoren unserer Wirtschaft - Verkehr, Stromerzeugung und Produktion - eignet. Es bleibt jedoch noch viel zu tun, um eine Wasserstoffinfrastruktur aufzubauen und ihn zu einer erschwinglichen und zuverlässigen Energiequelle zu machen, so die Wissenschaftler.
Dazu gehört auch die Entwicklung einer Möglichkeit zur Speicherung von Wasserstoff, die derzeit teuer und ineffizient ist. Geologische Formationen sind eine interessante Option, so die Wissenschaftler, da sie große Mengen an Wasserstoff speichern können, um die Spitzen und Täler des täglich oder saisonal wechselnden Energiebedarfs zu decken.
"Kohle ist gut erforscht, und wir produzieren schon seit fast einem halben Jahrhundert kommerziell Gas aus Kohle", sagte Liu. "Wir verstehen das. Wir haben die Infrastruktur. Ich denke, dass Kohle der logische Ort für die geologische Wasserstoffspeicherung ist.
Um dies zu testen, analysierten die Wissenschaftler acht Kohlesorten aus Kohlefeldern in den Vereinigten Staaten, um ihr Sorptions- und Diffusionspotenzial besser zu verstehen, d. h. wie viel Wasserstoff sie speichern können.
Alle acht Kohlearten wiesen beträchtliche Sorptionseigenschaften auf, wobei leichtflüchtige Steinkohle aus Ost-Virgina und Anthrazitkohle aus Ost-Pennsylvania in den Tests am besten abschnitten, berichten die Wissenschaftler in der Zeitschrift Applied Energy.
"Ich halte es für sehr gut möglich, dass Kohle aus wissenschaftlicher Sicht die beste Wahl für die geologische Speicherung sein könnte", so Liu. "Wir haben herausgefunden, dass Kohle andere Formationen übertrifft, weil sie mehr speichern kann, über eine bestehende Infrastruktur verfügt und im ganzen Land und in der Nähe von besiedelten Gebieten weit verbreitet ist."
Ausgelaugte Kohleflözlagerstätten sind möglicherweise die besten Kandidaten. Diese Flöze enthalten unkonventionelles Erdgas wie Methan und haben sich in den letzten Jahrzehnten zu einer wichtigen Energiequelle für fossile Brennstoffe entwickelt. Das Methan haftet an der Oberfläche der Kohle in einem Prozess, der Adsorption genannt wird.
In ähnlicher Weise würde das Einspritzen von Wasserstoff in die Kohle dazu führen, dass dieses Gas absorbiert wird oder an der Kohle haftet. Diese Formationen haben oft eine Schicht aus Schiefer oder Tonstein über sich, die wie eine Versiegelung wirkt und das Methan, oder in diesem Fall den Wasserstoff, versiegelt hält, bis es benötigt und wieder abgepumpt wird, so die Wissenschaftler.
"Viele Leute definieren Kohle als ein Gestein, aber in Wirklichkeit ist es ein Polymer", sagte Liu. "Sie hat einen hohen Kohlenstoffgehalt mit vielen kleinen Poren, die viel mehr Gas speichern können. Kohle ist also wie ein Schwamm, der im Vergleich zu anderen kohlenstofffreien Materialien viel mehr Wasserstoffmoleküle aufnehmen kann."
Für die Durchführung der Experimente entwickelten die Wissenschaftler eine spezielle Ausrüstung. Kohle hat im Vergleich zu anderen sorbierenden Gasen wie Methan und Kohlendioxid eine geringere Affinität zu Wasserstoff, so dass herkömmliche Druckgeräte zur Bestimmung der Sorption nicht geeignet gewesen wären.
"Wir haben ein sehr neuartiges und sehr anspruchsvolles Design entwickelt", sagte Liu. "Es hat Jahre gedauert, um herauszufinden, wie man das richtig macht. Wir mussten ein Experimentiersystem entwerfen, das auf unseren früheren Erfahrungen mit Kohle und Schiefer basiert."
Auf der Grundlage ihrer Ergebnisse kamen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass Anthrazit- und Halbanthrazitkohle gute Kandidaten für die Wasserstoffspeicherung in erschöpften Kohleflözen sind, während schwerflüchtige Steinkohle besser für gashaltige Kohleflöze geeignet ist.
Die Entwicklung von Wasserstoffspeichern in Kohlebergbaugemeinden könnte diesen Regionen neue wirtschaftliche Möglichkeiten eröffnen und gleichzeitig zum Aufbau der Wasserstoffinfrastruktur des Landes beitragen.
"Bei der Energiewende sind es die Kohlegemeinden, die wirtschaftlich am stärksten betroffen sind", sagte Liu. "Dies ist sicherlich eine Gelegenheit, die Kohleregion neu zu nutzen. Sie verfügen bereits über das nötige Fachwissen - den Energieingenieur und seine Fähigkeiten. Wenn wir eine Infrastruktur aufbauen und ihre wirtschaftlichen Möglichkeiten verändern können, sollten wir das in Betracht ziehen."
Künftige Arbeiten werden sich auf die dynamische Diffusionsfähigkeit und die dynamische Durchlässigkeit von Kohle konzentrieren, die bestimmen, wie schnell Wasserstoff ein- und ausgepumpt werden kann, so die Wissenschaftler.
"Ich denke, Penn State ist der richtige Ort, um diese Forschung zu betreiben - wir haben die Kohlereserven, wir haben Erdgas, wir haben sowohl das technische als auch das wirtschaftliche Know-how an der Universität", sagte Liu. "Das ist der logische Ort, um dies zu tun."
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