Technologie

Paste speichert Wasserstoff

02.02.2021 - Substanz auf der Basis von Magnesiumhydrid soll Kleinfahrzeuge antreiben.

Otto- und Dieselmotoren, die mit fossilen Kraftstoffen betrieben werden, werden wegen des Klimawandels zu Auslaufmodellen – stattdessen sind neue Antriebs­möglichkeiten am Start. Einer der Kraftstoff-Hoffnungs­träger ist Wasserstoff. Üblicherweise wird er mit 700-fachem Atmosphären­druck in die Drucktanks der Fahrzeuge gepresst. Einige hundert Wasserstoff-PKW fahren bereits auf Deutschlands Straßen. Und das deutsche Wasserstoff-Tankstellen-Netz soll in den nächsten drei Jahren von derzeit 100 auf 400 Tankstellen erweitert werden. Klein­fahrzeugen wie E-Scootern, Rollern und Co. nutzt das allerdings wenig: Der Druckstoß beim Tanken wäre zu groß.

Als Alternative haben Forscher am Fraunhofer-Institut für Fertigungs­technik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden eine Wasserstoff-Lösung entwickelt, die wie geschaffen ist für Klein­fahrzeuge: Die „Powerpaste“, die auf dem Feststoff Magnesium­hydrid basiert. „Mit Powerpaste lässt sich Wasserstoff bei Raumtemperatur und Umgebungs­druck chemisch speichern und bedarfs­gerecht wieder freisetzen“, sagt Marcus Vogt. Das ist auch dann unkritisch, wenn der Roller bei sommerlicher Hitze stundenlang in der Sonne steht, denn die Powerpaste zersetzt sich erst oberhalb von etwa 250 Grad Celsius. Der Tankvorgang gestaltet sich denkbar einfach: Statt eine Tankstelle anzusteuern, wechselt der Roller-Fahrer einfach eine Kartusche und füllt zusätzlich Leitungs­wasser in einen Wassertank. Das kann er auch bequem zuhause erledigen oder unterwegs.

Ausgangsmaterial der Powerpaste ist pulver­förmiges Magnesium. Bei 350 Grad Celsius und fünf- bis sechsfachem Atmosphären­druck wird dieses mit Wasserstoff zu Magnesiumhydrid umgesetzt. Nun kommen noch Ester und Metallsalz hinzu. Um das Fahrzeug anzutreiben, befördert ein Stempel die Powerpaste aus der Kartusche heraus. Aus dem Wassertank wird Wasser zugegeben, es entsteht gasförmiger Wasserstoff. Die Menge wird dabei hochdynamisch dem Wasserstoffbedarf der Brennstoff­zelle angepasst. Der Clou: Nur die Hälfte des Wasserstoffs stammt aus der Powerpaste, die andere Hälfe liefert das Wasser zu. „Die Energiespeicher­dichte der Powerpaste ist daher enorm: Sie ist wesentlich höher als bei einem 700 bar-Drucktank. Verglichen mit Batterien hat sie sogar die zehnfache Energie­speicherdichte“, sagt Vogt. Für den Fahrer heißt das: Er erzielt mit der Powerpaste eine ähnliche Reichweite wie mit der gleichen Menge Benzin, wenn nicht sogar eine größere. Auch beim Reichweiten­vergleich mit auf 700 bar komprimiertem Wasserstoff schneidet die Powerpaste besser ab.

Dies lässt die Powerpaste auch für Autos, Zustell­fahrzeuge oder Range Extender interessant werden. Ja, selbst große Drohnen könnten ihre Reichweite mit der Wasserstoff-Paste deutlich erhöhen und so statt zwanzig Minuten auch mehrere Stunden in der Luft bleiben. Hilfreich ist das vor allem bei Inspektions­aufgaben, etwa bei der Überprüfung von Waldgebieten oder Strom­leitungen. Eine Anwendung der etwas anderen Art bietet sich beim Camping: Hier kann die Powerpaste via Brennstoff­zelle Strom für Kaffeemaschine und Toaster bereit­stellen.

Neben der großen Reichweite gibt es einen weiteren Punkt, der für die Powerpaste spricht: Während gasförmiger Wasserstoff eine kosten­intensive Infrastruktur erfordert, lässt sich die Powerpaste auch dort einsetzen, wo eine solche Infra­struktur fehlt. Stattdessen könnte jede beliebige Tankstelle Powerpaste in Kartuschen oder Kanistern anbieten. Denn die Paste ist fließfähig und pumpbar – sie kann daher auch über einen normalen Tankvorgang und vergleichsweise kosten­günstige Abfüllanlagen getankt werden. Tankstellen könnten die Powerpaste zunächst in kleineren Mengen, etwa aus einem Metallfass, anbieten und das Angebot entsprechend der Nachfrage ausweiten – mit Investitionskosten von einigen zehntausend Euro. Zum Vergleich: Tankstellen für gas­förmigen Wasserstoff bei hohem Druck schlagen derzeit mit etwa ein bis zwei Millionen Euro pro Zapfsäule zu Buche. Auch der Transport der Paste gestaltet sich kostengünstig: Schließlich sind aufwändige Drucktanks oder sehr kalter, flüssiger Wasserstoff nicht nötig.

Am Fraunhofer-Projekt­zentrum für Energie­speicher und Systeme ZESS baut das Fraunhofer IFAM derzeit eine Produktions­anlage für die Powerpaste auf. Ende 2021 soll diese in Betrieb gehen und dann bis zu vier Tonnen Powerpaste pro Jahr produzieren. 

Fh.-IFAM / JOL

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