Wasserstoff- und Wärmespeicherung in Metallhydriden

Abstract

Die Energiewende hin zu einer kohlenstofffreien Energieversorgung ist in vieler Hinsicht wünschenswert. Die Energieumwandlung von Sonnenenergie mit Photovoltaik und Windkraftwerken in elektrische Energie hat zwar das Potential, unseren Energiebedarf zu decken,doch macht die oft nicht bedarfsgerechte Produktion die Bereitstellung großer Energiespeicher erforderlich. Die elektrolytische Spaltung von Wasser und anschließende Speicherung chemischer Energie in Form von Wasserstoff bietet dieses Potential. Die große Herausforderung bei der Speicherung von Wasserstoff ist dessen geringe Dichte. Mit 0.0899 kg pro Kubikmeter bei 273 K und Atmosphärendruck ist er das Element mit der geringsten volumetrischen Dichte im Periodensystem. Um die starken intermolekularen Abstoßungskräfte zu überwinden, können die Wasserstoffatome in Metallhydridgittern eingelagert und so hohe volumetrische Dichten erzielt werden. Die Bildung von Metallhydriden ist exotherm. Die dabei freiwerdende Wärme bei Absorption muss dann bei Desorption wieder zugeführt werden. So können Metallhydride auch als Wärmespeicher Verwendung finden und durch Kopplung von Hydriden mit verschiedener Charakteristik Kombinationsspeicher als Wärmepumpen oder auch Kältemaschinen betrieben werden. In dieser Arbeit soll das Potential der gleichzeitigen Speicherung von Wasserstoff und Wärme in Metallhydriden für stationäre und mobile Anwendungen untersucht werden. Weiters werden Verbesserungspotentiale in der Wärmeübertragung und Kinetik von Metallhydridsystemen anhand eines Versuchsaufbaus von miteinander gekoppelten Metallhydridbetten untersucht. Der geplante Aufbau konnte großteils fertiggestellt werden. Weitere Arbeiten sind aber noch notwendig und werden in Folgearbeiten durchgeführt. Weiters wird der Betankungsvorgang für zwei ausgewählte Hydride simuliert. Verschiedene Speichertechnologien werden miteinander verglichen, um so das Potential der Metallhydridtechnologie aufzuzeigen. Abschließend wird ein Ausblick in die Entwicklung der elektrolytischen Wasserstoffproduktion gegeben.

The energy transition towards a carbon free energy supply is in many ways desirable. The conversion of solar energy by photovoltaics and wind turbines into electric energy has the potential to meet our energy needs. Since production and demand differ in time and quantity the storage of great amounts of energy is necessary. The electrolytic conversion into chemical energy and the subsequent storage of hydrogen has this potential. The big challenge in the storage of hydrogen is its low density. With 0.0899 kg per cubic meter at 273 K and atmospheric pressure, it is the element with the lowest volumetric density in the periodic system. To overcome the strong intermolecular repulsion forces, hydrogen atoms can be absorbed in metal hydride lattices. Thus high volumetric densities can be obtained. The formation of metal hydrides is exothermic. The released heat during the absorption process must be fed back during the desorption process. Therefore metal hydrides can also be used as heat storage materials. By coupling different hydride beds through hydrogen as working media heat pumps and chillers can be built. In this thesis, the potential of the simultaneous storage of hydrogen and heat for stationary and mobile applications will be investigated. On the basis of an experimental assembly of two linked hydride beds improvement potential in the reaction kinetics and conduction of heat is examined. For the most part the proposed structure could be completed. However, further work is still necessary and is carried out in follow-up work. Furthermore the refuelling for two selected hydrides is simulated. Various storage technologies are compared to show the potential of metal hydrides. Finally an outlook on the development of electrolytic hydrogen production is given.