Faszination Technik Wie mit Backpulver ein stabiler Wasserstoffspeicher entsteht

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: welche Rolle Backpulver bei der Speicherung von Wasserstoff spielen kann.

Noch immer suchen Forschende nach einem idealen Weg zur sicheren und stabilen Speicherung von Wasserstoff, dem Hoffnungsträger der Energiewende. Einen Weg, wie sich dieses flüchtige und brennbare Gas gefahrlos und mit einfachen „Zutaten“ bändigen lässt, haben Forscher vom Leibniz-Institut für Katalyse in Rostock, Likat, und des Unternehmens H2APEX gefunden: Sie entwickelten gemeinsam ein homogenes Katalysatorsystem, mit dem sie Wasserstoff (H2) an Kaliumbikarbonat binden und auf diese Weise sicher und stabil chemisch speichern können. Bikarbonat ist ein Salz der Kohlensäure, landläufig als Backpulver oder Natron bekannt.

System arbeitet reversibel

Mit Bikarbonat reagiert der Wasserstoff im beschriebenen System in Gegenwart eines Ruthenium-Katalysators zu Formiat, einem ebenfalls harmlosen Salz, und zwar dem der Ameisensäure. Der Clou des Ganzen: „Den im Formiat gespeicherten Wasserstoff können wir jederzeit wieder freisetzen – mit demselben Katalysator, im selben System“, erläutern Dr. Rui Sang und Doktorandin Carolin Stein, beides Erstautoren der aktuellen wissenschaftlichen Publikation in Nature Communications. Solch eine umkehrbare Reaktion nennt man reversibel.

Laut Forschungsgruppenleiter Dr. Henrik Junge arbeitet das System stabil bei Temperaturen um 60 Grad Celsius. Die Reaktion läuft in einer Lösung ab, in der sich alle beteiligten chemischen Stoffe befinden: Wasserstoff und Bikarbonat sowie der Katalysator, der die Reaktion erst ermöglicht und im Prozess selbst nicht verbraucht wird. Im hier beschriebenen Fall basiert er auf Ruthenium und ist kommerziell erhältlich. Am Ende enthält diese Lösung auch das neugebildete Formiat – den eigentlichen H2-Speicher.

Auch technisch sei das System gut zu steuern, sagt Dr. Sponholz, Forschungsleiter bei H2APEX: „Je nachdem, mit welchem Druck ich den Wasserstoff in das System gebe, wird das Gas entweder an das Bikarbonat zu Formiat gebunden, oder die Reaktion kehrt sich um, und das Formiat gibt den Wasserstoff wieder frei.“

Einfach zu lagern und zu transportieren

Wasserstoff spielt eine Hauptrolle in alternativen Szenarien der Energieversorgung. Und als Speichermedien für eine künftige Wasserstoffwirtschaft werden unter anderem Methanol, Ammoniak und Methan diskutiert. Ameisensäuresalze sind gegenüber diesen Speichermedien im Vorteil, was die Giftigkeit der Stoffe und den Energieverbrauch angeht. Formiat ließe sich einfach in Kunststoffcontainern lagern und in Tanklastern transportieren. Henrik Junge sagt: „Im Grunde wie Milch, Bier oder Diesel.“

Zusammen mit dem Bikarbonat bildet das Formiat ein Energiesystem, das wie eine Batterie über Wasserstoff be- oder entladen wird. Ein solches System eignet sich tatsächlich für den Einsatz vor allem im lokalen, etwa ländlichen Bereich. Dort kann Windkraft oder Solarenergie in Phasen, wo mehr Strom bereitgestellt als abgenommen wird, über die Elektrolyse grünen Wasserstoff produzieren, der dann als Formiat gespeichert wird.

Möglichst viel Wasserstoff unterbringen

In der Kooperation von Likat und H2APEX geht es den Forschern unter anderem darum, im Formiat möglichst viel Wasserstoff unterzubringen. Beeinflusst wird dies durch Speicherdichte, Löslichkeit und „Molarität“ des verwendeten Salzes, Eigenschaften, die wiederum von seinem „Gegenion“ abhängen. Denn Salze bestehen üblicherweise aus Ionen gegensätzlicher Ladung, dem Kation und dem Anion.

Nach Tests einiger Kandidaten und Abwägung der Vor- und Nachteile habe man sich für Kalium entschieden, sagt Dr. Peter Sponholz. Das Salz, das in der „Batterie“ mit Wasserstoff beladen wird, heißt also präzise Kaliumbikarbonat. Nebenbei: Backpulver für die Küche enthält allermeist Natriumbikarbonat.

40 Zyklen für einen klimaneutralen Prozess

Der Prozess ist, darauf legen die Autoren Wert, CO₂-neutral. Üblicherweise wird bei der Rückgewinnung von Wasserstoff ein Teil des Bikarbonats zu CO₂ zersetzt und freigegeben, erläutert Carolin Stein. „Unser System hingegen hält das CO₂ dauerhaft fest.“ So kann aus diesem Speichersystem reiner Wasserstoff gewonnen werden, welcher direkt, ohne weitere Aufreinigung, in einer Brennstoffzelle genutzt werden kann.

In ihrem Paper berichten die Autoren von 40 aufeinanderfolgenden Zyklen der Wasserstoffspeicherung und -abgabe über einen Zeitraum von sechs Monaten. Unter Verwendung minimaler Mengen des Ruthenium-Katalysators im ppm-Bereic produzierten die Chemiker mit ihrer Laboranlage 50 Liter Wasserstoff mit einer durchschnittlichen Reinheit von 99,5 Prozent.

Demonstrator am Technikum geplant

Das Unternehmen H2APEX in Rostock-Laage verwendet unter anderem diese Ergebnisse, um einen größeren Demonstrator zu bauen, wozu der Industriepartner auch das Technikum des Instituts nutzt. Wenn alles wie geplant verläuft, wird die entsprechende Anlage bis Ende 2025 kommerzialisiert, und das chemische Symbol für Wasserstoffatome H, bedeutet dann auch „H“ wie „Hoffnung für die Energiewende“.

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal konstruktionspraxis erschienen.

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