Versuch macht Klug

Wasserstoff (symbolisch der Ventilhebel r.), Metallhydrid (das helle Pulver in der Kunststoffflasche, Mitte) und Magnesiumpulver (das graue Pulver in der Kunststoffflasche l.) sind die Zutaten für einen innovativen Wärmevorrat in Metallhydridspeichern. Dabei wird der Wasserstoff in einem Metall oder einer Metalllegierung gelöst gespeichert. Um den Wasserstoff als Reagenz wieder auszutreiben, reichen Druckminderung und leichte Wärmezufuhr. Im Hintergrund ist eine zentrale Steuereinheit bereits für das Projekt vom Team aufgebaut worden. Foto: WH/MV

Warm, wenn‘s kühl ist, kühl, wenn‘s warm ist, so lieben es die Deutschen. Solar erzeugte Wärme entsteht jedoch zeitlich genau andersherum. Prof. Dr. Karl Herbert Klug vom Energieinstitut der Westfälischen Hochschule erforscht und entwickelt gemeinsam mit einem Team aus drei wissenschaftlichen Mitarbeitern und mehreren studentischen Hilfskräften sowie zwei Forschungspartnern und einem Anlagenbauer einen 250-Kilowatt-Wärmespeicher, der die regenerativ erzeugte Wärme antizyklisch zur Verfügung stellt. Damit machen die Entwickler den Schritt vom Labormaßstab zum Technikumsmaßstab, der Vorstufe zur industriellen Nutzung. Womit? Mit Wasserstoff, dem Universalelement der Energiewende.

(BL) Wasserstoff ist im Periodensystem der Elemente das mit der Nummer 1. Zur Nummer 1 bringt der Wasserstoff es auch bei Vielen in der Diskussion um die Energiewende. Er soll etwa gerade nicht gebrauchten, aber umweltfreundlich mit Sonne oder Wind produzierten Strom hydrolytisch speichern und in Brennstoffzellen später wieder zu Strom wandeln. Doch Strom ist der weniger wichtige Teil des Energiesektors. Wichtiger für Deutschland ist die Wärme. Die kann man mit Solarthermie auch aus der Sonne erzeugen. An Tagen mit viel Sonne mehr als an Tagen mit bedecktem Himmel, an Tagen mit einer Kaltfront oder nachts. Bei der Zwischenspeicherung von Wärme kann das Universalelement Wasserstoff ebenfalls helfen: chemisch. Wenn Wasserstoff mit Magnesium zu Magnesiumhydrid reagiert, wird dabei Wärme frei. Mit rund 400 Grad Celsius kann man schon besser von Hitze sprechen. Bei dieser Temperatur entzündet sich Papier, aber auch Zucker (man denke an die Feuerzangenbowle).

Und was noch besser ist: Die Reaktion ist umkehrbar. Bei der Zersetzung von Magnesiumhydrid in Magnesium und Wasserstoff wird viel Wärme benötigt. Prof. Dr. Karl Herbert Klug vom Energieinstitut der Westfälischen Hochschule zäumt das Pferd daher von hinten auf: Mit zeitweise überschüssiger Wärme lässt er Magnesiumhydrid spalten und den dabei frei werdenden Wasserstoff in Druckbehältern auflaufen. Bei Wärmebedarf wird der Wasserstoff dem Magnesium wieder zugeführt.

„Einen Wärmespeicher auf Metallhydridbasis in dieser Größenordnung und in Kombination mit einer innovativer Wärmeübertragungstechnik wurde so noch nicht umgesetzt“, so Klug, „im Fall eines positiven Abschlusses des Projekts können entsprechend hochskalierte Wärmespeicher einen wichtigen Beitrag zur Speicherung von solarer Wärme, bei der Nutzung industrieller Abwärme, als Zwischenspeicher für Wasserstoff und bei der Nivellierung von Lastspitzen im Wärme- und Strombereich liefern.“ Dabei hat Klug vor allem die Kurzzeitspeicherung von Wärme im Stunden- und Tagesbereich im Auge. Klugs Aufgabe in dem Projekt ist vor allem die Entwicklung des Gesamtsystems aus Wärmezufuhr, der Kopplung mit einem Wasserstoffspeicher und der späteren Wärmeabfuhr. Installiert werden soll das System im Wasserstoffanwenderzentrum „h2herten“. Dort ist Klug auch schon mit anderen Projekten vertreten (Trikon berichtete etwa in Ausgabe 2/2018).

Magnesium ist eines der zehn häufigsten Elemente der Erdkruste. Es kommt in zahlreichen Verbindungen vor wie etwa als Kalzium-Magnesium-Karbonat im Dolomit, dem die Dolomiten in Südtirol in Erinnerung an den französischen Geologen und Mineralogen Déodat de Dolomieu ihren Namen verdanken. Oder im Olivin, einem grünlichen Mineral in der Erdkruste. Magnesium wird weltweit in großen Mengen gewonnen, vor allem in China. Ein Mangel an Magnesium ist nicht bekannt, nicht so wie bei den seltenen Erden, die häufig für Batterien benötigt werden. Auch das ist ein Vorteil der neuen Speichermethode.

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HyHeatStore

Das Projekt „HyHeatStore – Entwicklung und Demonstration eines anwendungsnahen, wasserstoffbasierten Hochtemperatur-Wärmespeichersystems“ erfolgt in Kooperation mit dem Institut für Energie- und Umwelttechnik e. V. in Duisburg, dem Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim/Ruhr und der „Martin Busch & Sohn Behälter- und Apparatebau GmbH“ in Schermbeck. Das Projekt wird vom Land Nordrhein-Westfalen mit Mitteln aus dem „Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) – 2014 bis 2020: Investitionen in Wachstum und Beschäftigung“ gefördert. Das Gesamtprojektvolumen beträgt 2,81 Millionen Euro, rund 45 Prozent davon entfallen auf die Westfälische Hochschule, die neben einem Eigenanteil mit 1,13 Millionen Euro gefördert wird.