Ein neues Konzept zur Wasserstoffverdichtung wurde kürzlich von einem Forschungsteam der Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg und des Helmholtz-Zentrums Hereon entwickelt. Dieses innovative Verfahren nutzt Wasserstoff erstmals sowohl als Arbeitsmedium als auch als Wärmeüberträger, was zu einer effizienteren und nachhaltigeren Wasserstoffinfrastruktur beitragen soll.
Die Metallhydrid-Kompressoren, auf die der Fokus der Forschung gelegt wurde, zeichnen sich durch ihre Langlebigkeit und Wartungsarmut aus. Bisher wurde ihre Leistungsfähigkeit jedoch durch den langsamen Wärmetransport innerhalb des Metallhydrids limitiert. Neueste Studien zeigen jedoch, dass Wasserstoff eine doppelte Funktion übernehmen kann: sowohl zur Verdichtung als auch zur Wärmeübertragung.
Wissenschaftlicher Fortschritt
Die Entwicklung ermöglicht es, einen geschlossenen Kreislauf aus heißem und kaltem Wasserstoff zu schaffen, der klassische interne Wärmetauscher ersetzt. Diese innovative Herangehensweise führt zu einer direkten Wärmeabfuhr und -zufuhr über den Wasserstoffstrom, was die Gasaufnahme und -abgabe deutlich beschleunigt. Simulationen haben bereits eine erhebliche Steigerung der Leistungsdichte der Metallhydrid-Kompressoren aufgezeigt. Zudem bedarf es für den Betrieb geringerer zusätzlicher Energie, da das System überwiegend mit Wärme betrieben wird.
Die Ergebnisse dieser Studien wurden im Journal Nature Communications Engineering veröffentlicht und sind bereits vorab patentiert. Die Forschung ist Teil des Projekts „Digitalisierte Wasserstoffprozesskette für die Energiewende“ (DigiHyPro), das von dtec.bw und EU-Mitteln (NextGenerationEU) gefördert wird.
Projekt DigiHyPro
Das Projekt DigiHyPro läuft von Oktober 2020 bis September 2024 und widmet sich der Analyse und Optimierung des Zusammenspiels zwischen Elektrolyseur, Metallhydridspeicher, Brennstoffzelle, Gasnetz und Gasverbrauchern. Um dieses Ziel zu erreichen, werden Systemsimulationen unter Verwendung einer digitalen Smart-Energy-Transform-Box (SET-Box) durchgeführt. Dabei liegt der Fokus auf der preisgünstigen Erzeugung und sicheren Speicherung von Wasserstoff, um Fluktuationen zwischen Energiegewinnung und -bedarf effektiv zu überbrücken.
Die SET-Box stellt eine Container-Lösung dar, die modular und skalierbar ist. Sie ermöglicht die Wasserstofferzeugung durch elektrolytische Prozesse und die Speicherung in Metallhydridspeichern oder die Einspeisung ins Erdgasnetz. Durch die Nutzung von Polymer-basierten Membranen wird eine Grobtrennung von Erdgas und Wasserstoff ermöglicht, während Metallhydride zur Feintrennung eingesetzt werden können.
Ein weiterer innovativer Aspekt des Projekts sind die digitalen Zwillinge, die eine virtuelle Abbildung des Gesamtkonzepts zur Verbesserung der Energieströme und Wechselwirkungen innerhalb der Gas-, Strom- und Wärmenetze erlauben. Dies unterstützt nicht nur die Entwicklung der einzelnen Komponenten, sondern prognostiziert auch zukünftige Einsatzmöglichkeiten der SET-Box.
Relevanz von Wasserstofftechnologien
Wasserstoff gewinnt zunehmend an Bedeutung als Energieträger und als Kraftstoff für Brennstoffzellen, insbesondere im Rahmen der Integration und Speicherung erneuerbarer Energien. Dr. Lars Röntzsch, Abteilungsleiter Wasserstofftechnologie am Fraunhofer IFAM, hebt die Notwendigkeit einer funktionierenden Wasserstoffinfrastruktur mit sicheren Speichermöglichkeiten hervor. Wasserstoff hat eine geringe Dichte und benötigt daher große Tanks zur Speicherung unter Normaldruck.
Aktuell wird Wasserstoff in der Regel durch Verdichtung oder Verflüssigung in Drucktanks gelagert. Metallhydridtanks, die Wasserstoff ohne Kompression chemisch in Metallscheiben binden, stellen eine vielversprechendealternative dar. Diese bieten einen niedrigeren Betriebsdruck und eine höhere Speicherdichte, was sie besonders attraktiv für Anwendungen in der Schiffsindustrie und der stationären Verwendung in Tankstellen oder Industrien macht.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Forschung zur Wasserstoffverdichtung und den neuen Metallhydrid-Kompressoren eine zukunftsweisende Rolle in der nachhaltigen Wasserstoffinfrastruktur spielen könnte. Mit der Unterstützung durch digitale Technologien und innovative Ansätze wird der Weg für eine effizientere Energieversorgung geebnet.