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21.12.2021 | Maschinenbau + Werkstoffe | Im Fokus | Online-Artikel

Metallhydride als Alternative zu herkömmlichen H2-Kompressoren

3:30 Min. Lesedauer
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Wasserstoff muss für mobile Anwendungen verdichtet werden, da seine Energiedichte sonst zu gering ist. Dafür braucht es Kompressoren, die aus speziellen Materialien gefertigt werden.

Wasserstoff ist ein sehr reaktionsfreudiges Element. Deswegen ist es auch schwer zu händeln. Seine Nutzung vor Ort wird vielfach von Skepsis begleitet. „Wasserstoff wird von vielen als gefährlich eingestuft – vielleicht noch eine subjektiv negative Erinnerung an die Knallgasexperimente im Chemieunterricht. Explosives Gas an einer Tankstelle zu zapfen, erscheint zumindest bedenklich“, beschreibt dies Springer-Autor Josef Gochermann in seinem Buchkapitel Wasserstoff auf Seite 259.

Empfehlung der Redaktion

2021 | OriginalPaper | Buchkapitel

Wasserstoff

Wasserstoff scheint das Schlüsselelement der Energiewende zu sein. Man setzt Wasserstoff anstelle von Öl und Gas ein, löst damit die CO2-Problematik und kann auch noch wesentliche Teile der heutigen Infrastruktur weiter nutzen, so die Idee.

Dabei ist gerade die Nutzung an Tankstellen ohne Kompressoren, die das reaktionsfreudige Gas stark verdichten und damit das Handling noch komplexer machen, nicht denkbar. Mechanische Technologien sind zudem immer störanfällig und wartungsintensiv. Häufige Fehlerursachen sind die zu hohen Belastungen von Ventilen und Membranen, Wasserstoffleckagen an Dichtungen und deren thermische Belastung. Das wiederum kann dazu führen, dass Schmierstoffe in den Produktstrom gelangen, was den Wasserstoff verunreinigt und ihn unbrauchbar etwa zur Nutzung in Brennstoffzellen macht. Auch die nötige Kühlung solcher mechanischen Systeme schmälert die Effizienz und erhöht den Wartungsaufwand.

Wartung, Wärme und Leckagen vermeiden

Deswegen richtet sich die Suche von Forschern, Techniker und Wissenschaftler auf Lösungen, die mit wenigen mechanischen Komponenten auskommen. Herkömmliche Kompressoren, wie sie etwa an Tankstellen für Erdgas genutzt werden, kommen dafür nicht in Frage. Sie würden bei den benötigten hohen Drücken von 700 bar (für Pkw) und 350 bar (für Lkw) heiß laufen. Doch gerade das muss verhindert werden. Das kann mit verschiedenen Materialien geschehen.

Infrage kommen etwa thermische Kompressoren auf Metallhydridbasis (MHC). Eine ausfühlriche Beschreibung findet sich im Buchkapitel Thermal Hydrogen Compression Based on Metal Hydride Materials der Srpinger-Autoren Claudio Corgnale, Robert C. Bowman Jr. und Theodore Motyka.

Empfehlung der Redaktion

2021 | OriginalPaper | Buchkapitel

Thermal Hydrogen Compression Based on Metal Hydride Materials

Mechanical compressors suffer from reduced reliability and potential failure when used to compress hydrogen at high pressures. Thermal compressors, employing metal hydride materials, are ideal candidates to replace mechanical compressors. They can …

Einfach beschrieben bestehen demnach solche Systeme aus einem Gefäß, dass ein Metallhydrid enthält, also Metalle oder eine Verbindung mehrerer Metalle, die mit Wasserstoff reagieren können. MHC können bei niedrigen Temperaturen der Umgebungsluft Wasserstoff leicht an sich binden und bei höheren Temperaturen von 100 bis 150 °C und höherem Druck wieder abgeben.

Damit ein höherer Durchsatz erreicht wird, werden zwei solcher Behälter miteinander kombiniert. Der eine bindet den Wasserstoff, während der andere ihn gleichzeitig abgibt. Daraus kann eine kontinuierliche Kompression erzeugt werden. Im Design ähneln die Behälter den klassischen Rohbündeln in Wärmeübertragern. Diese einfache und robuste Konstruktion ermöglicht einen leckagefreien Betrieb bei hohen Drücken – für Wasserstoff ein absolutes Muss.

US-Energieministerium fördert Forschung

Eine solche Lösung wiederum kann in ein Hybridkompressionssystem integriert werden, das als Hochdruckstufe mit einer mechanischen oder elektrochemischen Niederdruckstufe verbunden wird. Dadurch kann die vorhandene Abwärme der elektrochemischen Einheit bei Temperaturen von 150 °C zurückgewonnen und zum Antrieb der thermischen Stufe verwendet werden.

Tests, die vom US-Energieministerium (DOE) im Projekt H2@Scale initiiert wurden, verliefen mit Drücken bis 600 bar und einer dabei erzeugten Abwärme von 155 °C bereits erfolgversprechend. Dabei wurde ein neuartiges Wärmeübertragungssystem analysiert, das gerippte Minikanal-Wärmeübertragungsrohre in Rohren mit kleinem Durchmesser verwendet. Diese wiederum wurden mit Metallhydridpulver gefüllt. Infrage kommen dafür Verbindungen von Titan und Chrom (TiCr) mit Mangan (Mn).

Allerdings muss auch beachtet werden, dass die Wirkungsgrade von MHC niedriger sind als von klassischen Kompressoren, insbesondere dann, wenn keine Abwärme zur Verfügung steht, um den Wasserstoff wieder aus dem Metallhybrid herauszulösen. Deswegen bleibt eine Kombination mit einer herkömmlichen Kompression, die auch Abwärme liefern kann, wohl nötig. „Verdrängerkompressoren kapseln das angesaugte Gas und schieben es dann in die Druckleitung. Während der Kapselung verkleinert sich der Arbeitsraum, sodass Druck und Temperatur des Gases ansteigen (innere Verdichtung)“, beschreiben dies die Springer-Vieweg-Autoren Helmut Tschöke und Herbert Hölz in ihrem Buchkapitel Kompressoren, Verdichter auf Seite 39.

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