Hydrolyse

Elektrische Speicher für den einmaligen Gebrauch mit Energiedichten von mehr als 1 kWh/kg und 1 kWh/Liter sind für zahlreiche Anwendungsfelder von Interesse. Eine Realisierungsmöglichkeit für derartige Energiespeicher besteht in der Verwendung eines Metallhydrids, welches bei Kontakt mit Wasser aus einer beliebigen natürlichen Quelle (z.B. Leitungswasser, Regenwasser oder Meerwasser) eine sogenannte Hydrolysereaktion eingeht, durch die direkt gasförmiger Wasserstoff erzeugt wird. Die Besonderheit dabei ist, dass die Hälfte des so erzeugten Wasserstoffs aus dem Wasser stammt, wodurch der materialspezifische Wasserstoffgehalt praktisch verdoppelt wird. Der so generierte Wasserstoff kann dann einfach in Elektrizität mittels einer Brennstoffzelle umgewandelt werden.

Auf diese Weise können leichte, kompakte, langlebige, sichere und preiswerte Energieerzeugungseinheiten geschaffen werden, die selbst gegenüber Hochleistungsbatterien (wie z.B. Li-SOCl₂) ein Vielfaches von deren Energiespeicherdichten aufweisen. Wenn Wasser vorhanden ist, lassen sich so gravimetrische Energiespeicherdichten von mehr als 2,3 kWh / kg realisieren – inklusive aller Wandlungsverluste – was einer gravimetrischen Wasserstoffspeicherkapazität von ca. 15 Gew.% entspricht.

Anwendungsfelder

    Backup- und Notfallenergiesysteme
    Tele- und Radiokommunikation
    Tragbare elektronische Geräte und Ladegeräte
    Mobile Reserveenergiesysteme
    Camping- und Outdoorausrüstung
    Stromerzeugung in umweltsensitiven Bereichen
    Sensoren und Sonden
    Bojen, Warn- und Lichtsignale

Vorteile von MgH₂ für die Hydrolyse

Am Fraunhofer IFAM Dresden ist es gelungen, hochenergetisches, ungiftiges, aber mit Wasser nur wenig reaktionsfreudiges MgH₂ besonders vorteilhaft für die Hydrolyse zugänglich zu machen. Dabei werden nicht nur die oben angegebenen Energiespeicherdichten nahezu vollständig in der Praxis erreicht, sondern auch bekannte Nachteile anderer Hydrolysematerialsysteme überwunden (Solche Nachteile anderer Hydrolysesysteme sind unter anderem langsame Reaktionsgeschwindigkeiten, die Notwendigkeit teurer Edelmetallkatalysatoren, der Einsatz nanokristalliner Materialien, hohe Materialherstellungskosten, eine Toxizität der Materialien und die damit einhergehende Erfordernis eines aufwändigen Auffangens, Rücktransports sowie einer Wiederaufbereitung der Hydrolyserückstände).

Besonders vorteilhaft beim Einsatz der am Fraunhofer IFAM entwickelten MgH₂-basierten Hydrolyse-Materialsysteme ist dabei:

    Sehr hohe praktisch erreichbare gravimetrische und volumetrische Energiedichten nahe am theoretischen Maximum
    Hohe Verfügbarkeit der Ausgangsmaterialien
    Energieerzeugungskosten bereits heute vergleichbar mit Batterien
    Hohes Optimierungspotenzial für die großtechnische Produktion
    Einfache Handhabbarkeit der Materialien (sogar an Luft)
    Nahezu unbegrenzte Haltbarkeit (keine Selbstentladung)
    Es erfolgt eine direkte Reaktion mit flüssigem Wasser (keine Wärmezufuhr notwendig)
    Reaktionskinetik kann an Anwendung angepasst werden
    Hohe Reaktions- und Systemsicherheit
    Geräuschlose und emissionsfreie Energieerzeugung
    Ungiftigkeit der Ausgangsmaterialien und der Hydrolyseprodukte

Die verschiedenen für eine effiziente Hydrolyse geeigneten Materialsysteme und deren Herstellung wurden vom Fraunhofer IFAM Dresden zum Patent angemeldet, die zugrundeliegende Technologie wurde mit dem f-cell award 2013 (1. Platz in der Kategorie „Science“) ausgezeichnet.

Hintergrundinformationen

Die Reaktion von Magnesiumhydrid mit Wasser läuft chemisch folgendermaßen ab:

MgH₂ + 2 H₂O  →  2 H₂ + Mg(OH)₂

Käuflich zu erwerbendes MgH₂ reagiert jedoch aufgrund der Bildung einer passivierenden oberflächlichen Schicht von Mg(OH)₂ nur sehr langsam mit Wasser, wodurch es sich ohne weitere Maßnahmen nicht direkt für die Hydrolyse eignet.

Am Fraunhofer IFAM ist es durch Zugabe sehr geringer Mengen bestimmter, edelmetallfreier Additive sowie geeigneter Prozesstechnologien gelungen, die Reaktionsgeschwindigkeit der Hydrolysereaktion um mehrere Größenordnungen zu steigern, wodurch eine fast vollständige Reaktion des Magnesiumhydrids mit Wasser innerhalb von Minuten ermöglicht wird. Die zugrundeliegenden Reaktionsmechanismen für diese Geschwindigkeitssteigerung wurden aufgeklärt und es konnte gezeigt werden, dass die Hydrolyse von MgH₂ damit in der Praxis kontrolliert, reproduzierbar und effizient ablaufen kann.