Reversible Speicherung: Forscher entwickeln Wasserstoff-Batterie
Wasserstoff ist ein wichtiger Energieträger für die Zukunft. Gewonnen werden kann er durch Elektrolyse unter Einsatz von Strom, der idealerweise aus erneuerbaren Quellen wie Wind oder Sonne stammt. Bei seiner Verbrennung wird kein CO2 freigesetzt. Allerdings ist der Transport von Wasserstoff in Gasform problematisch. Forscher:innen haben nun einen chemischen Wasserstoff-Speicher entwickelt, der es ermöglicht, den Energieträger reversibel zu speichern und sicher zu transportieren. Hinter dieser „Wasserstoff-Batterie“ steht ein chemischer Kreislauf, bei dem ein Mangankatalysator mit der Aminosäure Lysin sowie Ameisensäure zusammenarbeitet.
Wasserstoff-„Batterie“ für den Transport
Wenn Wasserstoff in Gasform transportiert wird, ergeben sich zwei Probleme: Zum einen hat er eine recht geringe Dichte, was den Transport von großen Mengen erschwert, und zum anderen gibt es eine nicht zu unterschätzende Explosionsgefahr. Daher bietet es sich an, Wasserstoff für mobile Anwendungen entweder zu verflüssigen oder chemisch zu binden.
Ein Team rund um Duo Wei vom Leibniz-Institut für Katalyse in Rostock setzt mit einem neu entwickelten Wasserstoff-Speicher an genau diesem Punkt an. Die Forscher:innen konnten ein katalytisches System entwickeln, mit dessen Hilfe Wasserstoff chemisch gespeichert und dann in hochreiner Form mit hoher Ausbeute wieder abgegeben kann. Das Prinzip ähnelt dem einer elektrischen Batterie, nur dass zum Laden eben kein Strom, sondern Wasserstoff verwenden wird.
Ameisensäure als Speichermedium
Das Konzept des chemischen Wasserstoff-Speichers ist nicht neu, entsprechende Ansätze gibt es bereits. „Die meisten von ihnen benötigen aber kostspielige, auf Edelmetallen wie Ruthenium, Rubidium oder Iridium basierende Katalysatoren„, so die Wissenschaftler:innen. Zudem sind in diesen Konzepten für die Speicherung und Freigabe des Wasserstoffs unterschiedliche Bedingungen erforderlich, was die Nutzung erschwert.
Die Wasserstoff-Batterie von Wei und seinem Team arbeitet mit einem relativ günstigen Mangankomplex als Katalysator. Zudem kann sie unter einheitlichen Bedingungen Wasserstoff aufnehmen und wieder abgeben, sodass ein echter Kreislauf entsteht. Neben dem Mangankatalysator fungiert das organische Molekül Ameisensäure als zentrales Element des Systems. Sie dient als Speichermedium für den Wasserstoff.
Ameisensäure entsteht, wenn die Aminosäure Lysin, einer weiteren Kernkomponente der Wasserstoff-Batterie, unter Einfluss des Mangankatalysators mit Kohlendioxid aus der Luft sowie dem zugeführten Wasserstoff reagiert. Der Wasserstoff wird so chemisch gebunden. Die Ameisensäure lässt sich in Gegenwart der Reaktionshelfer Lysin und dem Mangankomplex wieder dehydrogenieren, wobei der gespeicherte Wasserstoff wieder freigegeben wird und CO2 als Nebenprodukt entsteht.
Optimiertes System schafft geschlossenen CO2-Kreislauf
Die Forscher:innen konnten in ersten Tests eine Ausbeute von mehr als 80 Prozent erzielen. Ließen sie zehn Zyklen hintereinander laufen, lag die Ausbeute immerhin noch bei etwa 72 Prozent. Allerdings gab es noch ein Problem: „Das Ziel einer praktisch nutzbaren, wiederaufladbaren Wasserstoff-Batterie wird so nicht erreicht„, so das Team. Denn bei der Dehydrogenierung der Aminosäure wird das gebundene CO2 wieder frei und muss nachgefüllt werden, sodass kein geschlossener Kreislauf entsteht, bei dem lediglich Wasserstoff zugeführt und wieder abgegeben wird.
Auf diese Erkenntnis hin optimierten die Wissenschaftler:innen ihr System, indem sie statt Lysin auf das Kaliumsalz dieser Aminosäure zurückgriffen. Das Kaliumlysinat kann 99,9 Prozent des CO2, das bei der Reaktion frei wird, speichern und so den CO2-Kreislauf schließen. „Wir halten das CO2 dauerhaft in unserem Reaktionssystem fest„, so Matthias Beller, der an der Entwicklung der Batterie beteiligt war. Nun muss nur noch lediglich einmal zu Beginn Luft zugeführt werden, der Rest geschieht dann innerhalb des Kreislaufes.
Effizienz über zehn Zyklen liegt bei mehr als 80 Prozent
Durch die von den Forscher:innen vorgenommen Optimierung erhöht sich auch die Ausbeute des wiedergewonnenen Wasserstoffs: Die Effizienz liegt nun bei 93 Prozent bei der Aufnahme des Wasserstoffes und bei 99 Prozent bei der Abgabe. Über zehn Zyklen liegt die Effizienz für die Speicherung und Freisetzung von Wasserstoff somit bei über 89 Prozent. Das so wiedergewonnene Wasserstoffgas weist zudem einen hohen Reinheitsgrad auf.
„ Diese Methode repräsentiert damit der produktivsten Kombinationen von CO2-Bindung und Formiat-Dehydrogenierung auf Basis eines nicht aus Edelmetallen bestehenden Katalysators„, so Wei und sein Team. Aus Sicht der Forscher:innen ebnet das System den Weg zum Aufbau einer CO2-neutralen chemischen Wasserstoffspeicherung auf Basis ungiftiger Komponenten. Ein Patent für die Wasserstoff-Batterie ist auch bereits beantragt.
