Sichere Wasser­stoff­speicher für die Elektro­mobi­lität

Batterien oder Brennstoffzellen: Das Pendel der Möglich­keiten, um Strom für Elektro-Autos zu erzeugen, könnte durch ne­uartige Wasser­stoff­speicher hin zur Brenn­stoff­technik ausschlagen. Zwei Forscherinnen des Fachgebiets Konversions­technologie und System­bewertung nach­wachsender Roh­stoffe der Universität Hohenheim testeten neu­artige chemische Verfahren, mit denen sich aus Bambus eine besondere Aktiv­kohle herstellen lässt.

Das Ergebnis hält Andrea Kruse in Händen: Ein etwa hand­großes, poröses Aktiv­kohle-Plätzchen: „Die aufbereitete Aktiv­kohle ist in der Lage, unter­schiedliche Gase zu speichern. Es bietet bei ein bar Druck pro zwanzig Gramm Gewicht eine Fläche von rund sechs Fußball­feldern. Damit lassen sich über sechzig Gramm Wasser­stoff speichern.“ Noch hat die Sache allerdings einen Haken: Es funktioniert nur bei sehr tiefen Temperaturen von minus 196 Grad Celsius.

„Mit den neuen Speichern können wir die drei­fache Gas­menge des Filter­gewichts speichern“, so Kruse. „Zusätzlich sind die Speicher wesentlich weniger gefährlich, weil sie statt mit 300 bar in herkömmlichen Gas­flaschen bei nur ein bar Druck arbeiten. Die tiefe Temperatur schränkt die Anwendungs­breite zwar ein, aber die Ergebnisse machen uns sehr optimistisch in Hinblick auf neue Materialien für die Wasser­stoff-Wirt­schaft.“ Die Erkenntnisse seien wichtig für das Entwicklungsziel: bio­basierte Elektroden für Brenn­stoff­zellen.

Der aktuelle Prototyp ist mit einem 3D-Drucker aus hoch­reinem Kohlen­pulver gedruckt. „Wir haben heraus­gefunden, dass die Aktivkohle-Speicher sich auch in herkömmlichen Press­verfahren herstellen lassen“, sagt Catalina Rodriguez Correa, ebenfalls vom Fach­gebiet Konversions­technologie und System­bewertung nach­wachsender Roh­stoffe.

Die beiden Forscherinnen der Universität Hohenheim testeten zwei Verfahren: die Pyrolyse und die hydro­thermale Karbonisierung (HTC) von Bambus. Die „langsame Pyrolyse“ ist ein trockenes Verfahren. Hier wird der zermahlene Bambus bei 500 Grad Celsius drei Stunden lang in einem Stick­stoff­strom erhitzt, bis sich Kohlen­pulver, das Karbonisat, bildet.

Die aufbereitete Aktivkohle kann unterschiedliche Gase speichern. (Bild: U. Hohenheim, C. Rodriguez Correa)

Das andere Verfahren ist die hydro­thermale Karbonisierung, ein nasses Verfahren. Das bedeutet, dass der Bambus mit Wasser versetzt und in einem Druck­behälter, dem Autoklav, drei Stunden bei 250 Grad Celsius erhitzt wird. „In diesem Fall können wir die grünen Blätter gleich mit verwerten. Die Herstellung der Kohle erreichten wir mit relativ verbreiteten chemischen Verfahren, die wir auf nach­wachsende organische Rohstoffe anwendeten“, erklärt Rodriguez Correa weiter.

Sowohl aus dem trockenen als auch aus dem nassen Verfahren entstehen Karbonisierungs­produkte. Diese werden danach mit wässriger Kali­lauge imprägniert. Das heißt, sie werden mit der Lauge versetzt und filtriert. Anschließend werden die imprägnierten Kohlen im Stickstoff­strom auf 600 Grad Celsius erhitzt.

Beim Erhitzen erzeugt jedes Kalium­ion letzt­endlich ein sehr kleines Loch, eine Mikro­pore. Anschließend werden die so erzeugten Aktiv­kohlen mit saurem Wasser gespült, um die Reste der Kali­lauge zu entfernen. Nach dem Trocknen ist die Aktivkohle fertig. Die Mikro­poren bilden den Raum, in dem sich das bis zu drei­fache Gas­gewicht speichern lässt.

„Wir möchten noch bessere Kohlen herstellen und werden weiter daran forschen“, sagt Kruse. „Wir hoffen, dass wir zusammen mit unserem Industrie­partner HTCycle in wenigen Jahren ein wirt­schaftliches Verfahren daraus entwickeln können.“ (Bild: U. Hohenheim / pro-physik.de)

Referenz: C. Rodriguez Correa et al.: Investigation of the textural and adsorption properties of activated carbon from HTC and pyrolysis carbonizates, Biomass Conver. Bioref. 8, 317 (2018); DOI: 10.1007/s13399-017-0280-8

Link: Konversionstechnologie und Systembewertung nach­wachsender Rohstoffe (A. Kruse), Universität Hohenheim

Bild: Leichte und kleine Wasserstoffspeicher aus Bambus könnten die mobile Nutzung von Brennstoffzellen revolutionieren. (Quelle: U. Hohenheim / Astrid Untermann)

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