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Durchbruch bei der Wasserstoff-Rückumwandlung aus Methanol für Brennstoffzellen

© Fotolia/Adobe© Fotolia/AdobeRostock – Forschende am Leibniz-Institut für Katalyse (Likat) in Rostock haben ein neues Verfahren entwickelt, um die in Methanol zwischengespeicherte Energie wieder in Wasserstoff zurück zu wandeln. Eine Testanlage konnte die Funktionstüchtigkeit des Konzepts bereits bestätigen.

Die Speicherung von Strom aus erneuerbaren Energien in Wasserstoff mittels Elektrolyse und die anschließende Speicherung in Methanol ist nur ein Teil der Wandlungs- und Nutzungskette. Die bedarfsgerechte Rückumwandlung von Methanol in Wasserstoff und Einsatz in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung stellte bisher ein Problem dar, doch Forschende aus Rostock haben im Projekt Metha-Cycle eine praktikable Lösung gefunden.

Das bisherige Problem: Hoher Druck für die Umwandlung von Methanol in Wasserstoff
Windkraftanlagen (bzw. andere regenerative Erzeugungsanlagen) produzieren Elektroenergie. Mit diesem Strom wird aus Wasser elektrolytisch Wasserstoff erzeugt, der wiederum mit Kohlendioxid in Methanol umgewandelt werden kann. Methanol ist der einfachste Vertreter in der Gruppe der Alkohole und fungiert als praktikabler Speicher für den Wasserstoff. Dr. Junge, Themenleiter am Likat: „Methanol lässt sich im Unterschied zu Wasserstoff gut handhaben und auch über weite Strecken transportieren.“ Bei Bedarf wird Methanol in Wasserstoff rückverwandelt und direkt im Anschluss in einer Brennstoffzelle zur Stromerzeugung genutzt.

Das Problem bisher: Üblicherweise braucht es hohen Druck und Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius, um aus dem Methanol wieder Wasserstoff zu gewinnen. Das machte eine allgemeine Anwendung bisher wenig attraktiv, zumal der Wasserstoff in einen gewissen Reinheitsgrad aufweisen muss. Doch genau das soll sich mit dem neuen Verfahren ändern.

Die Lösung: Kaskaden-Verfahren ermöglicht Rückumwandlung von Methanol in Wasserstoff unter „milden“ Bedingungen
Im Jahr 2013 beschrieben Likat-Forschende im Magazin Nature, wie sie mithilfe eines Ruthenium-Katalysators bei milden Bedingungen unter hundert Grad Celsius aus einer wässrigen Methanollösung Wasserstoff und Kohlendioxid erzeugen konnten. Diese Reaktion galt es nun zu optimieren. Zunächst wurde untersucht, wie der Ruthenium-Katalysator in der Methanollösung arbeitet, um den Wasserstoff wieder freizusetzen.

Im Ergebnis wurde nach den ersten beiden Schritten neben Wasserstoff ein weiteres Zwischenprodukt gefunden. Dieses Intermediat, Formaldehyd, kann im Beisein des Katalysators im zweiten Schritt durch Oxidation weiterverarbeitet werden. Im zweiten Schritt des Kaskadenverfahrens entsteht dann Ameisensäure (Methansäure). Hilfreich war an dieser Stelle, dass es den Rostockern schon vor 20 Jahren gelungen war, aus Ameisensäure bei Raumtemperatur dann wieder Wasserstoff zu gewinnen.

Um allerdings die dritte Kaskade auf Trab zu bringen und die Brennstoffzelle kontinuierlich mit Wasserstoff zu versorgen, entschieden sich die Forscher letztlich für ein bi-katalytisches System: sie gaben ihrem Ruthenium-Katalysator als Helfer einen zweiten Katalysator an die Seite.

Der erfolgreiche Praxistest in Erlangen
In Erlangen an der Friedrich-Alexander-Universität (FAU) wurde der Bi-Katalysator für einen kontinuierlichen Prozess in der Testanlage fit gemacht, mit der das Forschungskonsortium von Metha-Cycle die Funktionstüchtigkeit des Konzepts letztlich unter Beweis stellte. Dazu imprägnierten sie einen festen hochporösen Träger mit dem katalytisch aktiven Komplex aus Rostock. Über diesem Träger fließen kontinuierlich Methanol- und Wasserdampf.

Ebenso kontinuierlich wird der entstandene Wasserstoff abgeleitet, um in der angeschlossenen Brennstoffzelle sofort verstromt zu werden. Die Testanlage der Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg hat im Frühjahr 2020 mit knapp 500 Stunden Laufzeit die Funktionstüchtigkeit des Konzepts demonstriert. Die Brennstoffzelle, entwickelt vom Zentrum für Brennstoffzellentechnik (ZBT) Duisburg, produzierte kontinuierlich Strom mit einer Leistung bis zu 39 Watt.

Das Projekt Metha-Cycle wird vom Bundeswirtschaftsministerium (BMWi) mit 1,8 Millionen Euro gefördert.

© IWR, 2020


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15.10.2020

 



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