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Wasserstoffspeicher aus Metallschrott

Magnesiumreste aus der Industrie können Wasserstoff-Gas kompakt und reversibel speichern

Metallhydridbehälter
Vom entzündlichen Gas in den kompakten Speicher: Metallhydride können als Wasserstoffspeicher dienen. © Hereon/ Christian Schmid

Recycling für die Energiewende: Wissenschaftler haben eine Methode entwickelt, um industrielle Metallabfälle aus der Industrie zu chemischen Wasserstoffspeichern umzufunktionieren – mit doppeltem Nutzen. Denn bisher kaum recyceltes Magnesium wird so wiederverwendet, gleichzeitig kann das daraus erzeugte Magnesiumhydrid viel Wasserstoffgas binden und so beispielsweise den Transport des Gases oder die Betankung von Schiffen mit Wasserstoff erleichtern.

Wasserstoff wird im Zuge der Energiewende immer wichtiger. Das Gas produziert bei seiner Verbrennung kein CO2 und kann durch Elektrolyse mit grünem Strom aus Wasser gewonnen werden. Als Brennstoff und Chemie-Rohstoff kann es dazu beitragen, Bereiche wie den Verkehr, die Stahlindustrie und andere Industrien emissionsärmer zu machen. Das erfordert allerdings Methoden, mit denen sich der Wasserstoff sicher und möglichst kompakt speichern und transportieren lässt.

Metallhydride als chemische Gasspeicher

Als ein solcher Wasserstoff-Speicher werden zurzeit Metallhydride untersucht – reversible Verbindungen aus Alkali- und Erdalkalimetallen mit Wasserstoff. Solche Feststoffe erreichen eine hohe Wasserstoff-Speicherdichte und eignen sich daher überall dort, wo Volumen und Sicherheit eine Rolle spielen – zum Beispiel bei der stationären Speicherung in Wasserstofftankstellen oder auf Schiffen. Der Abbau und die großtechnische Herstellung der Metallhydride sind jedoch aufwendig und wenig umweltfreundlich.

Eine Alternative haben nun Maximilian Passing und seine Kollegen vom Helmholtz-Zentrum Hereon in Geesthacht vorgestellt. Sie demonstrieren, dass sich hochwertige Metallhydrid-Wasserstoffspeicher auch aus Metallabfällen aus der Industrie herstellen lassen. Im Speziellen geht es dabei um Magnesium-Legierungen, die beispielsweise beim Druckguss anfallen. „Für diese Legierungen, speziell mit Aluminium, existieren bisher noch keine Recycling-Wege“, erklären die Forschenden.

Die Verwendung solcher Metallabfälle hätte daher einen doppelten Nutzen: Die Metalle werden wiederverwertet und helfen gleichzeitig bei der Speicherung und dem Transport von Wasserstoff.

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Vom Schrott zum Speichermaterial

Wie aus den Metallresten ein Wasserstoff-Speichermaterial wird und wie effizient es ist, demonstrieren Passing und seine Kollegen in ihrem Experiment. Dafür lassen sie normalen Magnesium-Aluminium-Schrott in Form von Spänen und grob vorzerkleinerten Stückchen zunächst längere Zeit einfach liegen – wie es für Metallschrott üblich ist. Dann füllen sie das Material in eine Industriemühle, wo es unter Argonatmosphäre und Sauerstoffausschluss zu feinem Puder zermahlen wird.

Damit ist das Abfallmetall schon bereit für seinen Einsatz als Wasserstoffspeicher. Dafür leiten die Forschenden Wasserstoffgas unter 13 Bar Druck und bei 350 Grad Hitze in einen mit dem Metallpuder gefüllten Edelstahlbehälter. Unter diesen Bedingungen fördern die Metalle den Bruch der Bindungen in den zweiatomigen Molekülen des Wasserstoffgases und gehen mit dem Wasserstoff eine Bindung ein. Es entstehen Magnesiumhydrid (MgH2) und Aluminium.

Effektiv und schnell

Wie die Versuche ergaben, liegt die Aufnahmekapazität des Magnesiumhydrids für Wasserstoff bei 5,8 Prozent und liegt damit durchaus im Bereich reiner, nicht aus Schrott gewonnener Metallhydride. Zudem sind die thermodynamischen und kinetischen Eigenschaften günstig: „Das Magnesium-basierte System erreichte 90 Prozent seiner Speicherkapazität in rund zehn Minuten“, berichtet das Team. Die „Betankung“ des Materials geht dem nach relativ schnell.

Um den Wasserstoff zurückzugewinnen, wird der Druck auf 0,5 bis 1 Bar abgesenkt. Der Wasserstoff wird dann aus dem Metallhydrid wieder freigesetzt – auch das dauert nur wenige Minuten. Nach Ansicht der Forschenden sind Metallhydride aus Industrieabfällen damit eine attraktive Lösung, um Wasserstoff sicher und kompakt zu speichern und gleichzeitig den bisher ungenutzten Schrott sinnvoll zu verwerten.

Stärkung für die Kreislaufwirtschaft

„Unsere Forschung eröffnet einen neuen Weg zur Entwicklung umweltfreundlicher Materialien für Hochleistungs-Wasserstoffspeicheranwendungen“, sagt Koautor Claudio Pistidda. „Ansätze der Kreislaufwirtschaft für die Herstellung von Wasserstoffspeichermaterialien zu nutzen, ermöglicht es uns, die Energie-Herausforderungen unserer Zeit auf eine nachhaltigere Weise anzugehen.“ (Journal of Magnesium and Alloys, 2022; doi: 10.1016/j.jma.2021.12.005)

Quelle: Helmholtz-Zentrum Hereon

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