Neue Ansätze zur Speicherung von flüssigem Wasserstoff

Forschende des Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), der Ewha Womans University, des Institut Laue Langevin und des MLZ berichten von einer mehr als dreifachen Steigerung der modellierten Speicherdauer bei bis zu 97 % der theoretischen Volumenkapazität von flüssigem Wasserstoff.

ChatGPT 43 Funktionsprinzip zur Verringerung des Verdampfungsverlusts von flüssigem Wasserstoff mithilfe eines MOF- Mit Speichermaterialien (MOF, Metallorganische Gerüste) könnten künftig Verdampfungsverluste beim Transport von Flüssigwasserstoff vermieden werden. © ChatGPT, bearbeitet

Mit Speichermaterialien (MOF, Metallorganische Gerüste) könnten künftig Verdampfungsverluste beim Transport von Flüssigwasserstoff vermieden werden. © ChatGPT, bearbeitet

Flüssiger Wasserstoff (LH₂) ist wegen seiner hohen Energiedichte besonders attraktiv für den Energietransport über große Entfernungen. Doch selbst gut isolierte Tanks können das Eindringen von Wärme nicht vollständig verhindern. Erwärmt sich die Flüssigkeit, verdampft der Wasserstoff und der Druck steigt an – es kommt zu Verdampfungsverlusten während Lagerung und Transport.

Poröses Material fängt Wasserstoff ein

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Hyunchul Oh vom Lehrstuhl für Chemie der UNIST hat gemeinsam mit Professor Hoi Ri Moon von der Ewha Womans University, Dr. Jitae T. Park vom MLZ und Dr. Mónica Jiménez-Ruiz vom Institut Laue–Langevin (ILL) untersucht, ob poröse Materialien dazu beitragen könnten, die Verluste zu begrenzen. Das Team nutzte metallorganische Gerüste (MOFs) – hochporöse kristalline Materialien –, um verdampfenden Wasserstoff einzufangen und dessen Freisetzung zu verzögern, sobald Wärme in den Tank gelangt ist.

Wasserstoff verändert sich mit Wärme

MOFs enthalten Netzwerke aus Poren im Nanometerbereich. Diese Poren können Wasserstoff an ihren Innenflächen binden. Bei extrem niedrigen Temperaturen tragen Wechselwirkungen zwischen Wasserstoffmolekülen und den Porenwänden dazu bei, das Gas einzuschließen und so den Druckaufbau zu verlangsamen. Dieser Ansatz ergänzt herkömmliche Isolierungsmaßnahmen: Statt sich ausschließlich darauf zu konzentrieren, das Eindringen von Wärme in den Tank zu begrenzen, verändert er auch das Verhalten des Wasserstoffs beim Eindringen von Wärme in den Tank.

Weniger Platz im Tank?

Die entscheidende Frage war nun, ob dieser Vorteil auf Kosten der Speicherkapazität zustande kommt. Denn das poröse Material nimmt Platz ein, der sonst für flüssigen Wasserstoff zur Verfügung stünde. Die Forscher verglichen daher zwei MOFs mit sehr unterschiedlichen Strukturen: IRMOF-20, ein starres Gerüst mit großem Porenvolumen, und MIL-53(AI), ein flexibles Gerüst, dessen Poren sich bei der Adsorption von Wasserstoff ausdehnen und zusammenziehen.

Park 43 Dr. Jitae Park, hier am Instrument PUMA des MLZ, hat die Messungen mit geplant und durchgeführt. © Wolfgang Filser, TUM

Dr. Jitae Park, hier am Instrument PUMA des MLZ, hat die Messungen mit geplant und durchgeführt. © Wolfgang Filser, TUM

Wasserstoff dichter und platzsparend gepackt

IRMOF-20 lieferte ein besonders günstiges Verhältnis: Auch unter Berücksichtigung des vom Material eingenommenen Raums behielt das System etwa 97 % der Volumenkapazität von reinem flüssigem Wasserstoff bei. Der in den Poren eingeschlossene Wasserstoff ordnete sich schlicht so dicht an, dass ein Großteil des vom MOF eingenommenen Raums ausgeglichen wurde.

Tank hält drei Mal so lange dicht

Die Forschenden modellierten außerdem, wie sich die Materialien auf den Verdampfungsverlust in einem Flüssigwasserstofftank im Transportmaßstab auswirken. Unter den untersuchten Isolationsbedingungen bei mittlerem Vakuum sollte der reine Flüssigwasserstoff den Berechnungen zufolge nach etwa 64 Tagen aufgebraucht sein. Mit IRMOF-20 verlängerte sich dieser Zeitraum auf etwa 221 Tage – mehr als das Dreifache.

Neutronen bestätigen Theorie

Anschließende Experimente gaben praktische Aufschluss über die theoretischen Ergebnisse der IRMOF-20-Modelle: Adsorptionsmessungen zeigten, dass der in seinen Poren eingeschlossene Wasserstoff eine effektive Dichte erreichte, die höher war als die von flüssigem Wasserstoff im Volumen. Die inelastische Neutronenstreuung am Instrument IN1 des ILL, die Jitae Park vom Heinz-Maier-Leibnitz-Zentrum der TUM und Mónica Jiménez-Ruiz vom ILL planten und durchführten, zeigte zudem eine eingeschränkte Molekülrotation im Inneren der Poren. Das liefert einen indirekten Hinweis auf starke Wechselwirkungen zwischen Wasserstoff und dem Gerüst. Ganzheitlich betrachtet deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Einschränkung auf Nanomaßstab sowohl eine dichte Packung des Wasserstoffs ermöglicht als auch diesen bei steigender Temperatur vor Freisetzung stabilisiert. „Neutronen eignen sich besonders gut zur Untersuchung von H₂, da Wasserstoff einen großen Neutronenstreuquerschnitt aufweist und die inelastische Neutronenstreuung die Molekülbewegung direkt untersucht.“, erklärt Dr. Jiménez-Ruiz. Und Dr. Jitae Park ergänzt: „Die inelastische Neutronenstreuung ermöglichte es uns, das quantenmechanische Rotationsverhalten von Wasserstoff innerhalb der Poren direkt zu beobachten. Dieser mikroskopische Einblick belegte, dass der lokale molekulare Einschluss eine dichte Phase erzeugt, die Verdampfungsverluste entscheidend verlangsamt.”

Höhere Speicherkapazität und Wärmepuffer

Das zweite untersuchte Material, MIL-53(AI), verhielt sich anders: Mit steigender Temperatur band es Wasserstoff zwar stärker, aber seine Speicherkapazität betrug nur etwa 53 % im Vergleich zu der von flüssigem Wasserstoff. Diese Beobachtung unterstreicht eine zentrale Gestaltungsentscheidung für poröse Materialien bei der Wasserstoffspeicherung bei tiefsten Temperaturen: Ein größeres Porenvolumen begünstigt die Speicherkapazität, während ein stärkerer Einschluss den Wärmepuffer verbessern kann.

Praxistest im Tank steht noch aus

„Weil wir Porenvolumen, Wasserstoffdichte und Desorptionsverhalten gemeinsam betrachtet haben, zeigten wir, dass poröse Materialien den Verdampfungsverlust verringern und gleichzeitig einen Großteil der für den Transport von flüssigem Wasserstoff erforderlichen Speicherkapazität erhalten können“, freut sich Professor Oh. „Die berechneten Werte stellen allerdings eine idealisierte Obergrenze dar, sodass weitere Untersuchungen erforderlich sind, um festzustellen, inwieweit sich diese Leistung auch tatsächlich in praktischen Tanksystemen reproduzieren lässt.“

Originaltext: UNIST