Möchten Sie Kekse backen? Oder Wasserstoff speichern?

Einer der vielversprechendsten erneuerbaren Energieträger ist sauberer Wasserstoff, der ohne fossile Brennstoffe hergestellt wird.

Eine vielversprechende Idee, denn Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum und kommt in 75 Prozent aller Materie vor. Außerdem besteht ein Wasserstoffmolekül aus zwei gepaarten Atomen - Zwillingen, die sowohl ungiftig als auch leicht brennbar sind.

Das brennbare Potenzial von Wasserstoff macht ihn zu einem attraktiven Thema für Energieforscher in aller Welt.

Am Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) erforscht ein Team Wasserstoff als Medium zur Speicherung und Freisetzung von Energie, vor allem durch das Aufbrechen seiner chemischen Bindungen. Ein Großteil der Arbeit steht in Verbindung mit dem Hydrogen Materials-Advanced Research Consortium (HyMARC) des Department of Energy (DOE).

Wasserstoffspeicherung noch nicht optimiert

Ein Forschungsschwerpunkt des PNNL ist die Optimierung der Wasserstoffspeicherung, ein hartnäckiges Problem. Bis heute gibt es keine völlig sichere, kostengünstige und energieeffiziente Möglichkeit, Wasserstoff in großem Maßstab zu speichern.

PNNL-Forscher haben vor kurzem eine Studie verfasst, in der eine Backnatronlösung als Mittel zur Wasserstoffspeicherung untersucht wird. Die Studie wurde bereits von der Fachzeitschrift Green Chemistry, die von der Royal Society of Chemistry herausgegeben wird, als "Hot Paper" bezeichnet. Das bedeutet, dass sie viele Klicks erhalten hat, die Interesse zeigen.

Die Bemühungen des PNNL um die Speicherung von Wasserstoff werden von der Abteilung für Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien des DOE im Büro für Energieeffizienz und erneuerbare Energien (EERE) finanziert. Die Forschung fördert die H2@Scale-Initiative des DOE sowie den Hydrogen Shot der Behörde.

Die beiden Hauptautoren des neuen Papiers sind der Chemiker und PNNL Laboratory Fellow Thomas Autrey und sein Kollege Oliver Gutiérrez, ein Experte für die Beschleunigung und Kosteneffizienz von chemischen Reaktionen.

"Man muss schon ein bisschen kreativ sein", sagt Autrey, der sich darüber amüsiert, wie alltäglich, billig und mild Backpulver als mögliche Antwort auf ein großes Problem ist. "Nicht jede Chemikalie ist für die Speicherung von Wasserstoff geeignet. Man muss mit dem arbeiten, was Mutter Natur einem gibt".

Sauberer Wasserstoff für den langfristigen Energiebedarf

Autrey, Gutiérrez und andere Mitarbeiter des PNNL sehen in der Langzeit-Energiespeicherung den Schlüssel für die Zukunft des Wasserstoffs als Träger erneuerbarer Energie.

Die derzeitige Batterietechnologie ist für eine Speicherdauer von einigen Stunden ausgelegt. In einem Netz für erneuerbare Energien können Batterien etwa 80 Prozent des Speicherbedarfs abdecken.

Aber "für die letzten 20 Prozent brauchen wir einzigartige Ansätze", so Autrey. "Wir werden die überschüssige Energie speichern wollen, um für die Dunkelflaute gerüstet zu sein.

Das ist ein deutsches Wort, das Bedingungen ohne ausreichendes Sonnen- und Windenergiepotenzial beschreibt. Während der dunklen, windstillen Perioden der"Dunkelflaute" brauchen die Netze eine Möglichkeit, Energie für mehr als nur einige Stunden zu speichern.

Solche saisonalen Speichermöglichkeiten sind eine der Attraktionen von Wasserstoff. Das gilt auch für die Tatsache, dass die Wasserstoffspeicherung überall stattfinden kann - sie ist "geografisch unabhängig", wie Experten sagen. Wasserkraft beispielsweise erfordert Höhenunterschiede, um überschüssiges Wasser zur Stromerzeugung zu speichern. Die Wasserstoffspeicherung erfordert keine besonderen geografischen Bedingungen.

Außerdem, so Autrey, wird Wasserstoff mit zunehmender Größe immer wirtschaftlicher. Es ist billiger, ein paar zusätzliche Wasserstoffspeicher zu kaufen als eine Menge Batterien.

Den besten Weg für die Wasserstoffspeicherung finden

Sauberer Wasserstoff ist als Energiequelle vielversprechend. Ein Verfahren namens Elektrolyse kann zum Beispiel Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten. Im besten Fall würde der Strom für die Elektrolyse aus erneuerbaren Energiequellen wie Sonne, Wind und Erdwärme stammen.

Es gibt jedoch eine hartnäckige Herausforderung: die kostengünstigere Herstellung von Wasserstoff.

Um dieses Problem zu lösen, kündigte das DOE im Jahr 2021 seine Energy Earthshots-Initiative an, eine Reihe von sechs Schritten, um Durchbrüche in der sauberen Energietechnologie zu fördern. Als erstes wurde der Hydrogen Shot vorgestellt, ein Programm, mit dem die Kosten für Wasserstoff innerhalb eines Jahrzehnts von 5 auf 1 Dollar pro Kilogramm gesenkt werden sollen - eine Reduzierung um 80 Prozent.

Neben der Senkung der Produktionskosten für sauberen Wasserstoff muss man auch herausfinden, wie man ihn transportieren und speichern kann", so Autrey, was die Preise wieder in die Höhe treiben kann.

Die Suche nach dem idealen Medium für die Wasserstoffspeicherung hat sich jedoch als schwierig erwiesen.

Wasserstoff kann zu einem Gas komprimiert werden, aber dazu ist ein sehr hoher Druck von bis zu 10.000 Pfund pro Quadratzoll erforderlich. Ein sicherer Speichertank bräuchte Wände aus sehr dickem Stahl oder teurer, weltraumtauglicher Kohlefaser.

Wie wäre es mit kryogenem Flüssigwasserstoff? Dies ist ein bewährtes Speichermedium, doch muss es so kalt (< 252°C) gemacht und gehalten werden, dass die peripheren Energiekosten erheblich sind.

Am vielversprechendsten scheinen flüssige Moleküle zu sein, die für die Speicherung und Abgabe von Wasserstoff optimiert sind. Jamie Holladay, ein Experte für nachhaltige Energie, leitete kürzlich die vom PNNL geführte Forschung zu einfacheren und effizienteren Strategien zur Verflüssigung von Wasserstoff.

Die Verwendung solcher Flüssigkeiten als Speichermedium hat den Vorteil, dass die bestehende Energieinfrastruktur, einschließlich Pipelines, Lastwagen, Züge und Abnehmerschiffe, beibehalten werden kann, so Gutierrez.

Der Bikarbonat-Formiat-Zyklus

Möchten Sie Kekse backen? Oder Energie in Form von Wasserstoff speichern? Backnatron könnte die Lösung sein. Dieses milde, billige Natriumsalz von Bikarbonat ist ungiftig und erdreichreich.

Nicht genau Backpulver. Das PNNL-Team untersucht die Eigenschaften des seit langem erforschten Bikarbonat-Formiat-Zyklus zur Speicherung von Wasserstoff. (Formiat ist ein sicheres, mildes flüssiges organisches Molekül.)

Und so funktioniert es: Lösungen von Formiat-Ionen (Wasserstoff und Kohlendioxid) in Wasser enthalten Wasserstoff auf der Basis von nicht korrosivem Alkaliformiat. Die Ionen reagieren in Anwesenheit eines Katalysators mit Wasser. Bei dieser Reaktion entstehen Wasserstoff und Bikarbonate - das "Backnatron", das Autrey wegen seiner Umweltfreundlichkeit bewundert.

Mit den richtigen leichten Veränderungen des Drucks lässt sich der Bikarbonat-Formiat-Zyklus umkehren. So lässt sich eine wässrige Lösung ein- und ausschalten, die abwechselnd Wasserstoff speichern oder freisetzen kann.

Vor der Verwendung von Natron untersuchte das PNNL-Wasserstoffspeicherteam Ethanol als flüssigen organischen Wasserstoffträger, den Oberbegriff der Industrie für Speicher- und Transportmedien. Parallel dazu entwickelten sie einen Katalysator, der den Wasserstoff freisetzt.

Katalysatoren sind Designer-Zusatzstoffe, die die Prozesse beschleunigen, mit denen chemische Bindungen auf energieeffiziente Weise hergestellt und aufgebrochen werden.

Im Mai 2023 gewährte das EERE der Firma OCOchem in Richland, Washington, für ein Projekt, das mit den Bemühungen des PNNL in Verbindung steht, 2,5 Mio. USD für zwei Jahre zur Entwicklung eines elektrochemischen Verfahrens, das Formiat und Ameisensäure aus Kohlendioxid herstellt. Bei diesem Verfahren wird Kohlendioxid mit dem Wasserstoff in der ikonischen chemischen Bindung des Wassers,_H2O, verbunden.

Im Rahmen einer gerade beginnenden Partnerschaft wird das PNNL Möglichkeiten zur Freisetzung von Wasserstoff aus den OCOchem-Produkten entwickeln.

Wasserstoffspeicher, die "wie Wasser aussehen"

In der Welt der Wasserstoffspeicherforschung sorgt der Bikarbonat-Formiat-Zyklus schon seit geraumer Zeit für Aufsehen. Schließlich basiert er auf Materialien, die reichlich vorhanden, nicht entflammbar und ungiftig sind.

Der Zyklus basiert auf einer wässrigen Speicherlösung, die so mild ist, dass sie "wie Wasser aussieht", so Autrey. "Damit kann man ein Feuer löschen".

Damit die Format-Bicarbonat-Salze zu einem brauchbaren Mittel zur Speicherung von Wasserstoffenergie werden können, müssen die Forscher jedoch noch wirtschaftlich realisierbare Szenarien entwickeln. Bislang speichert die Technologie nur 20 Kilogramm Wasserstoff pro Kubikmeter, während der Industriestandard bei flüssigem Wasserstoff bei 70 liegt.

Grundsätzlich, so Autrey, brauchen die Forscher ein systemisches Verständnis der erforderlichen Elektrochemie und Katalyse. Aus technischer Sicht ist die Idee eines praktikablen Bikarbonat-Formiat-Zyklus noch nicht ausgereift.

"Wenn wir die Probleme mit der Katalyse lösen", fügte er hinzu, "könnten wir ein echtes Interesse wecken".

Eine erstaunlich glänzende Sache

Positiv zu vermerken ist, dass die am PNNL untersuchten Salzlösungen bei der Reaktion mit Wasser Wasserstoff freisetzen. Außerdem funktionieren sie bei moderaten Temperaturen und niedrigem Druck.

Zumindest theoretisch, so beschreiben Autrey und Gutiérrez in ihrem Papier von 2023, stellt der Bikarbonat-Formiat-Zyklus "eine machbare grüne Alternative zur Speicherung und zum Transport von Energie" aus Wasserstoff dar.

Die Idee des Backnatrons steht auch im Mittelpunkt dessen, was in dem Papier von 2023 als "mehrere dringende wissenschaftliche Herausforderungen" bezeichnet wird.

Dazu gehört die Herstellung eines Wasserstoffspeichermediums aus abgeschiedenem überschüssigem Kohlendioxid. Und sogar die Verwendung desselben Mediums zur Speicherung von Elektronen, was das Versprechen von Direktformiat-Brennstoffzellen bietet.

Darüber hinaus könnte die Arbeit des PNNL Erkenntnisse für die Katalyse in der wässrigen Phase (Wasser) liefern. Im Moment verwendet das PNNL-Team Palladium als Katalysatorkandidat. Sie suchen nach Möglichkeiten, das seltene Metall stabiler, wiederverwendbar und langlebiger zu machen.

Alles in allem ist die Idee mit dem Backpulver für die Wasserstoffspeicherung "eine erstaunliche glänzende Sache", so Autrey. "Das Aufregende sind die Möglichkeiten".