Wasserstoffspeicherung auf der Basis von Nanomaterialien

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1 Wasserstoffspeicherung auf der Basis von Nanomaterialien 2. Nanotech-Forum 16. November 2005 Birgit Scheppat Wasserstoffeigenschaften gasförmig (unter Standardbedingungen) farblose; geruchlos; geschmacklos in Wasser fast unlöslich Löslich in manchen Metallen (Pt, Pd) flame.bmp Explosiv (5-75 vol.%) Brennbar (Flamme unsichtbar, wenig Wärmeabgabe) 14 mal leichter als Luft kleinstes Molekül Siedepunkt 20,4 K 1

2 Einsatz von Wasserstoff Automobilbereich Verbrennungsmaschine bei einer Reichweite von 400 km werden 8 kg H 2 (ungefähr 24 kg Benzin) benötigt Brennstoffzellen getriebenes Fahrzeug Bei einer Reichweite von 400 km 4 kg H 2 notwendig. Portabler Bereich Ungefähr ein l/min Wasserstoff für eine 50 Watt Brennstoffzelle. Relevante Eigenschaften von Wasserstoff für die Speicherung Die Handhabung von Wasserstoff ist eine Herausforderung: Durch die Größe des Moleküls hat Wasserstoff eine sehr hohe Permeation in allen bekannten Stoffen kein Stoff ist wasserstoffdicht Materialänderungen durch Einbau von Wasserstoff (Verspröden) 2

3 Relevante Eigenschaften von Wasserstoff für die Speicherung Dichte von flüssigem Wasserstoff g/l. = die höchste bekannte Energiedichte Bezogen auf die Masse: 1 kg Wasserstoff enthält die Energie von 2.1 kg Erdgas oder 2.8 kg Benzin. Bezogen auf das Volumen: Die Energiedichte von 1 m³ Wasserstoff = einem ¼ l Benzin = ein 1/3 eines 1Nm³ Erdgas. Vergleich Energieinhalt von Energieträgern 3

4 Speichermöglichkeiten von Wasserstoff Gasförmig von 0,1MPa bis 70 MPa Flüssig In gebundener Form an Metallhydride Chemische Reaktion Möglichkeiten der Wasserstoffspeicherung Speichertechnol. Komprimiertes Gas Flüssiger Wasserstoff Metallhydride Status 700 bar Technologie, Einsatz unter realen Bedingungen im Fahrzeug Verschiedene Tanks im realen Einsatz Viele verschiedene Typen, Neu Nanomaterialien Hürden Kosten hoch Sicherheitsbedenken vorhanden Sehr teuer Problem Boil-off Speicherdichte noch zu gering Sicherheitsbedenken 4

5 Speichermöglichkeiten von Wasserstoff Gasförmig von 0,1MPa bis 70 MPa Flüssig In gebundener Form an Metallhydride Chemische Reaktion Speichermöglichkeiten von Wasserstoff Gasförmig von 0,1MPa bis 70 MPa Flüssig In gebundener Form an Metallhydride (Nanotechnologische Ansätze) Chemische Reaktion 5

6 Forderungen an einen Metallhydridspeicher für den mobilen Einsatz Zielvorgaben bis 2010: (Department of Energy, USA) Speicherung von mehr als 6 Volumenprozent Anforderungen an Speichermaterialien Reversibilität Moderate Arbeitsdrücke und Thermomanagement Zeiten beim Beladen und beim Entladen Sicherheit der Materialien Kosten 6

7 Vergleich der Speicherkapazitäten Material H-atoms per cm 3 (x ) H2-Anteil Gew.-% H 2 gas, 200 bar H 2 liquid, 20 K (-253 C) H 2 solid, 4.2 K (-269 C) MgH Mg 2 NiH FeTiH LaNi 5 H Tankvolumen und Gewicht für eine Reichweite von 500 km LaNi5H6 FeTiH2 H2-Speicherung Mg2NiH4 MgH2 Volumen (l) Gewicht (kg) H2 flüssig H2 gasförmig

8 Speicherung in Nanomaterialien Physisorption Schwache Bindung des Wasserstoffs als Molekül (Van-der Waals) Bereitstellung ausreichender Oberflächen pro Volumeneinheit Einlagerung in stabile oder instabile Nanostrukturen Mögliche Vertreter: Nanostrukturierter Kohlenstoff, Zeolithe, Metallorganische Materialien, Clathrate Chemisorption Hohe mögliche volumetrische und gravimetrische Wasserstoffspeicherung Chemische Bindung (Enthalpien!); Bildung von Metallhydriden Mögliche Vertreter: Komplexe Metallhydride (M+ 2 (BH y ) M=Li,Na, K,... ; Alanate B= B,N, Al Speicherung am Beispiel von Alanaten Hohe Speicherkapazität (> 7%) Komplexes Alanat Bindung kovalent mit ionischem Charakter Herstellung mittels Hochenergiemahlen (GKSS; FZK) NaAlH4! 8

9 Ein viel versprechendes Alanat... 3NaAlH4 H = 3 * 37kJ / mol Na3AlH6 H = 47kJ / mol Na 3 AlH 6 +2Al+3H 2 3,7 gew.% H 3NaH+Al+3/2 H 2 1,8 gew.% H Max. reversible Speicherkapazität 5,5 gew.% Ein viel versprechendes Alanat... Dotieren mit Titan (Bogdanovich et.al) Reduktion der Temperatur von 513 K 373 K(!) 9

10 Herstellung von Nanokomposits Titan-Nano-Clustern (Nanopartikel): 13 Atomen einem Zentralatom und einer Schale aus weiteren 12 Atomen. Stabilisiert durch eine Hülle, die den Metallkern umschließt Die Wirkung wird durch Mischen der Titan-Nano- Clustern mit einer geringen Menge mit Natriumalanat erzielt. Herstellung der Mischung durch Hochenergiemahlen. Nanokomposit, das eigentliche Speichermaterial M. Fichtner, Adv. Eng. Mater.), 2005,7 444 Isotherme Desorption verschiedener Materialien, Kugelmühle 30min 10

11 2 4 NaAlH + x mol% T i / 100 C, 100 bar M. Fichtner, Adv. Eng. Mater 2005 Modellvorstellung Einlagerung von Wasserstoff Katalysator für Reaktion Gas - Festkörper Gefüge ~ 10 nm GKSS, Klassen et. al. 11

12 Konsequenzen für technische Anwendungen am Beispiel der Alanate Lagerung und Handling unter Schutzatmosphäre Volumenänderung bis 20% des Gesamtvolumens Löschmittel Salz Thermomanagement Belade-/Ladecharakteristik Peripheriebauteile Pflichtenheft Speicher Temperaturmessung Heiz-/Kühlmöglichkeit Füllstandsanzeiger Ausgleich der Volumenänderungen Austrag der Nanopartikel bei Gasentnahme Sicherheit (Gasdichtigkeit, Berstdruck, etc) Druckbereich 12

13 Quintessenz Vielversprechende Nanomaterialien (Alanate, Zeolithe) sind vorhanden. Nur wenige wurden bisher in technische Applikationen eingesetzt. Überwindung der technischen Hürden bis zur Markteinführung sind notwendig. 13