Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 18.01.16


Metallhydrid - Wasserstoffspeicher

Vortrag von Christian Ullrich im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie", WS 13/14


Gliederung:


„In naher Zukunft wird aufgrund zu neige gehender fossiler Brennstoffe, Autofahren Luxus sein, den sich viele nicht mehr leisten können.“ [Zitat - Vortrag 26. Internationale Motor- und Umwelt-Konferenz in Graz, Sep.13]

Dieses Zitat entspricht nicht der Wahrheit, da es heutzutage bereits Alternativen zum Benzinmotor gibt. Ein Beispiel dafür ist die Brennstoffzelle. Der Sauerstoff zum Betrieb kann der Luft entnommen werden. Der notwendige Wasserstoff muss jedoch mitgeführt werden. Somit muss ein Speichermaterial gefunden werden, dass den sicheren Transport ermöglicht!


1 Wasserstoffherstellung und -speicherung [1][2][3][4]

1.1 Wasserstoffherstellung

  • Steam-Reforming           CH4 + H2O → CO + 3 H2                             (1)
  • Chlor-Alkali-Elektrolyse  2 NaCl + 2 H2O → 2 NaOH + Cl2 + H2       (2)
  • Elektrolyse von Wasser  2 H2O → 2 H2 + O2                                       (3)

Alle Gleichungen sind reversibel und können somit auch umgekehrt ablaufen.

1.2 Wasserstoffspeicherung

Der Wasserstoff kann nun in den unterschiedlichsten Bereichen, wie zum Beispiel zum Betreiben einer Brennstoffzelle, verwendet werden. Dazu muss er jedoch gespeichert und somit gelagert werden. Dafür gibt es heutzutage drei verschiedene Möglichkeiten:

  1. die Speicherung von flüssigem Wasserstoff in Druckgasflaschen,
  2. die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff in Druckgasflaschen,
  3. die Speicherung in Metallhydriden.

2 Hydridherstellung [1][2][3][4]

Die Herstellung des Natriumhydrids erfolgt unter Wasser und Sauerstoffausschluss, indem reines Wasserstoffgas über geschmolzenes Natrium geleitet wird.

2 Na + H2 → 2 NaH       (4)

Die Herstellung des Natriumhydridpulvers erfolgt anschließend durch Hochenergiemahlen oder mithilfe von Kugelmühlen, in denen Keramik- oder Stahlkugeln das Hydrid herstellen.


3 Wasserstoffspeicherung und Freisetzung [1][2][3][4]

Speicherung. Zur Speicherung von Wasserstoff wird ein Titan-Katalysator benötigt, der die Herstellung bei „niedriger“ Temperatur und Druck ermöglicht.

2 Al + 3 H2+ Titan-Katalysator → 2 AlH3       (5)
NaH + AlH3 → NaAlH4     (6)


Abb. 1: Elementarzelle NaAlH4 [5]

Desorption. Die Desorption des Wasserstoffs aus dem Alanat erfolgt in zwei Schritten:

3 NaAlH4 → Na3AlH6 + 2 Al + 3 H2      (7)


Abb. 2: Wasserstoffdesorption nach Gleichung (7) [2]


Abb. 3: Elementarzelle Na3AlH6 [5]

2 Na3AlH6 → 6 NaH + 2 Al + 3 H2      (8)


Abb. 4: Wasserstoff-Desorption nach Gleichung (8) [2]

Im ersten Schritt werden w(H2)=3,7% und im zweiten Schritt w(H2)=1,9 frei. Insgesamt könnten somit w(H2)=5,6% genutzt werden. Die erste Reaktion ist reversibel, im Gegensatz zur zweiten Reaktion die nicht reversibel ist. Somit können nur w(H2)=3,7% effektiv genutzt werden.


4 Vor- und Nachteile von Hydridspeichern [1][2][3][4]

Vorteile: Die Vorteile von Hydridspeichern liegen in ihrer gefahrlosen Speicherung von Wasserstoff im Gegensatz zu Drucktanks. Weiterhin weisen Hydrid-Speicher eine kompakte Bauweise auf und können Wasserstoff bei niedrigen Drücken speichern.

Nachteile: Die Nachteile der Hydridspeicher überwiegen jedoch noch die Vorteile. Ein großer Nachteil liegt in der enormen Masse, die notwendig ist, um eine akzeptable Menge an Wasserstoff in dem Hydrid speichern zu können. Diese relativ hohe Masse ist mit der geringen Speicherkapazität an Wasserstoffgewichtsprozent zu erklären. Weiterhin haben Fahrzeuge mit Hydridspeicher heute eine noch zu geringe Reichweite im Gegensatz zu einem Benzintank. Auch nimmt das Betanken des Speichers mit Wasserstoff noch eine zu lange Zeit in Anspruch.


Zusammenfassung. Die Speicherung von Wasserstoff in Hydridspeichern bietet eine sichere Alternative, Wasserstoff mit sich zu führen und Brennstoffzellen zu betreiben. Dadurch wird der Gebrauch von fossilen Brennstoffen auf ein Minimum gesenkt. Jedoch ist die hohe Masse und niedrige Speicherkapazität zu unwirtschaftlich, um Hydridspeicher heute schon in Fahrzeugen zu verwenden. Ob in Hydridspeichern gespeicherter Wasserstoff fossile Brennstoffe als Treibstoff ersetzen kann, wird die Zukunft zeigen.


Literatur

  1. Holleman, A.F.; Wiberg, E.: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 101. Auflage, de Gruyter-Verlag, Berlin 1995.
  2. Eberle, U.; Felderhoff, M.; Schüth, F.; Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 6608-6630.
  3. Schüth, F.; Eur. Phys. J. Special Topics 2009, 176, 155-166.
  4. Sakintuna, B.; Lamari-Darkrim, F.; Hirscher, M.; Int. J. Hydrogen Energy 2007, 32, 1121-1140.
  5. http://www.chemtube3d.com/images/aleximages/NaAlHx.png Lizenze: CC; Urheber: University of Liverpool Digital Communications Team  [Zugriff am 14.01.2014]

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 18.01.16