Welche Vorteile bietet Wasserstoffpaste?
Ganze Industriezweige setzen ihre Hoffnungen auf Wasserstoff, viele Expert*innen halten das leicht brennbare Gas für den Kraftstoff der Zukunft. Auch im Verkehrssektor spielt Wasserstoff zunehmend seine Potenziale aus. Denn mit Wasserstoff im Tank entsteht kein Gramm Kohlendioxid, sondern nur Wasserdampf. Die Nutzung ist jedoch aufwändig – alleine schon wegen der Tatsache, dass Wasserstofftanks in Brennstoffzellenfahrzeugen einem Druck von 700 Bar standhalten müssen. Zum Vergleich: Ein Autoreifen hat einen Druck von 2,5 Bar.
Wasserstoffpaste vereinfacht die Verwendung von Wasserstoff für den Antrieb von Fahrzeugen dagegen erheblich. Der Kniff der Forscher*innen vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Dresden: Sie verwenden Magnesium, um Wasserstoff daran zu binden. Magnesium ist eines der verbreitetsten Elemente und leicht zugänglich. Das Resultat ist eine an Zahnpasta erinnernde Masse. Um ein Fahrzeug damit zu betreiben, kann die wasserstoffhaltige Paste beispielsweise aus einer ersetzbaren Kartusche kommen. Während der Fahrt presst ein Stempel dann die erforderliche Menge Paste aus der Kartusche. Erst nach Zugabe von Wasser entsteht der gasförmige Wasserstoff, der schließlich in einer Brennstoffzelle Strom für den Antrieb erzeugt.
Ein großer Vorteil von Wasserstoffpaste ist ihre Stabilität, die eine Lagerung über Jahre ermöglicht. „Mit unserer Wasserstoffpaste lässt sich Wasserstoff bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck chemisch speichern und bedarfsgerecht wieder freisetzen“, erklärt Dr. Marcus Vogt, Wissenschaftler am IFAM. Besonders für Kleinstfahrzeuge sei die Wasserstoffpaste wie geschaffen – leicht, einfach zu transportieren und schnell austauschbar.
Der Tankvorgang gestaltet sich denkbar einfach: Statt eine Tankstelle anzusteuern, wechseln Fahrer*innen von beispielsweise Scootern oder Rollern einfach eine Kartusche und füllen zusätzlich Leitungswasser in einen Wassertank – fertig. Das Besondere: Nur etwa die Hälfte des am Fahrzeug erzeugten Wasserstoffs stammt aus der Paste, die andere Hälfte liefert das mitgeführte Wasser. Kein Problem ist es, wenn mit Wasserstoffpaste in der Kartusche bestückte Kleinstfahrzeuge bei sommerlicher Hitze stundenlang in der Sonne stehen, denn Wasserstoffpaste zersetzt sich erst oberhalb von etwa 250 Grad Celsius.
Woraus besteht Wasserstoffpaste?
Ausgangsmaterial von Wasserstoffpaste ist pulverförmiges Magnesium – eines der häufigsten Elemente und somit ein leicht verfügbarer Rohstoff. Bei 350 Grad Celsius und fünf- bis sechsfachem Atmosphärendruck reagiert das Magnesium mit Wasserstoff zu Magnesiumhydrid. Hinzu kommen noch Ester und Metallsalz – fertig ist die Wasserstoffpaste.
Wasserstoffpaste ist nicht giftig, sicher und sehr lange haltbar. Sie zeichnet sich vor allem durch eine sehr hohe Energiedichte bezogen auf Gewicht und Volumen aus. So beträgt der Energiegehalt mehr als das Zehnfache moderner Lithium-Ionen-Batterien.
Das Speichern von Wasserstoff in Magnesiumhydrid bietet den Vorteil, dass man Wasserstoff nicht stark kühlen und auf 700 Bar komprimieren muss. Materialforscher*innen am Helmholtz-Zentrum in Geesthacht (HZG) arbeiten bereits seit einigen Jahren an entsprechenden Techniken, um in Brennstoffzellenfahrzeugen auf Drucktanks zugunsten von Magnesiumhydrid-Tanks verzichten zu können. Die Wissenschaftler*innen vom IFAM zielen dagegen mit ihrer „Powerpaste“ aus der Kartusche eher auf Kleinstfahrzeuge ab.
Für welche Anwendungen ist Wasserstoffpaste geeignet?
Wasserstoffpaste könnte nicht nur die Reichweite von E-Scootern und E-Rollern verlängern. Sie könnte auch in sogenannten Range-Extendern in Elektroautos oder Zustellfahrzeugen zum Einsatz kommen und dort über eine Brennstoffzelle Strom erzeugen, um die Reichweite zu erhöhen. Auch Drohnen ließen sich damit antreiben. Mit herkömmlichen Akkus ist die Flugzeit hier bislang auf maximal eine halbe Stunde begrenzt, mit Wasserstoffpaste könnte sie mehrere Stunden betragen – hilfreich beispielsweise bei Inspektionen mit Drohnen in der Energiewirtschaft.
Weitere Anwendungsbeispiele sind denkbar: So könnte die Paste etwa auch beim Camping per Brennstoffzelle die nötige Energie für Kühlschrank, Kaffeemaschine, Heizung oder Kocher bereitstellen. Mögliche Einsatzgebiete sind zudem Backup- und Notfallenergiesysteme, tragbare elektronische Geräte und Ladegeräte, Sensoren, Sonden sowie Bojen. Durch die schnelle Verfügbarkeit großer Energiemengen, das geringe Gewicht und die Unabhängigkeit vom Stromnetz eignet sich die Technologie vor allem für netzunabhängige und mobile Anwendungen.
Während für gasförmigen Wasserstoff eine kostenintensive Infrastruktur erforderlich ist, ließe sich Wasserstoffpaste auch überall dort einsetzen, wo eine solche Infrastruktur fehlt. „Jede beliebige Tankstelle könnte Wasserstoffpaste in Kartuschen oder Kanistern anbieten“, so Forscher Dr. Marcus Vogt vom IFAM.
Wann kommt die Wasserstoffpaste auf den Markt?
Die Entwicklung der Wasserstoffpaste ist Bestandteil des Projekts H2PROGRESS, das wiederum Teil des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Innovationsprojekts HYPOS ist. Außerdem fördert das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) die Weiterentwicklung der „Powerpaste“ des Fraunhofer-Instituts IFAM.
Noch 2023 möchte das Institut den Bau einer Produktionsstätte am Fraunhofer-Projektzentrum für Energiespeicher und Systeme (ZESS) abschließen, in der jährlich vier Tonnen der Wasserstoffpaste entstehen sollen. Geplant war die Produktionsstätte bereits Ende 2021, musste allerdings aufgrund der Pandemie und wegen des Kriegs in der Ukraine verschoben werden. Jetzt möchten die IFAM-Wissenschaftler*innen auf die Tube drücken, um die Verwendung von Wasserstoffpaste voranzutreiben und ausführlich zu erproben.