Kopernikus-Projekt Power-to-X Forschungscluster B1: Dezentrale H2-Logistik: Speicherung und Verteilung über flüssige Wasserstoffträger

Wie wollen wir die Mobilitätswende schaffen? Als Energieträger der Zunkuft führt an Wasserstoff kaum ein Weg vorbei. In diesem Projekt werden die Fragestellungen rund um die Speicherung, den Transport und die Bereitstellung von Wasserstoff bearbeitet.

Hintergrund

Im Zuge der Energiewende soll Überschussenergie aus fluktuierenden Energiequellen wie Wind und Sonne gespeichert und anschließend örtlich und zeitlich unabhängig sowie bedarfsgerecht bereitgestellt werden. Die elektrische Überschussenergie wird dabei mit hohem Wirkungsgrad über die Elektrolyse in chemische Energie in Form von Wasserstoff mit besonders hoher gravimetrischer Energiedichte (33 kWhth/kgH2) umgewandelt. Allerdings erweist sich die Speicherung aufgrund der niedrigen volumetrischen Energiedichte (0,003 kWhth/LH2 bei 25°C und 1 atm) als große Herausforderung. Verbreitete Lösungen wie Druckwasserstoff bei 350 bzw. 700 bar (0,8 bzw. 1,3 kWhth/LH2) sowie Flüssigwasserstoff (2,4 kWhth/LH2) schaffen aufgrund des hohen Gefahrenpotentials sowie der schwierigen Handhabbarkeit nur teilweise Abhilfe.

Das LOHC-Konzept

Eine alternative Technologie, die im Rahmen des Kopernikus Projekts: Power-to-X untersucht wird, ist die Speicherung von Wasserstoff im einem sog. flüssigen organischen Wasserstoffträger, auch LOHC (liquid organic hydrogen carrier) genannt. Durch reversible Hydrierung wird der LOHC mit Wasserstoff beladen (LOHC+) bzw. entladen (LOHC-). Der LOHC dient dabei sozusagen als „Pfandflasche“.

 

Chemische Umsetzung

Die Beladung/Entladung des LOHCs findet nur bei bestimmten Bedingungen (Druck, Temperatur) und in Anwesenheit eines Katalysators statt. Im Szenario einer dezentralen Anwendung sind speziell an die Freisetzungseinheit Anforderungen wie Kompaktheit, Skalierbarkeit und Dynamik bei gleichbleibend hoher volumen- und katalysatorbezogener Freisetzungsrate des Wasserstoffs gestellt. Gleichzeitig müssen die bei der Reaktion entstehenden Verunreinigungen minimiert werden, um eine hohe Zyklierbarkeit des LOHCs zu gewährleisten und den Wasserstoff in möglichst reiner Form für weitere Applikationen zur Verfügung zu stellen.

Mikroverfahrenstechnik

Der Einsatz von Mikrostrukturen in der Verfahrenstechnik ermöglicht es den Stoff- und Wärmetransport sowie oberflächenbestimmte Phänomene und damit ganze Prozesse zu intensivieren. In der Praxis können dadurch nahezu isotherme Betriebsbedingungen geschaffen werden und die Regelung und Steuerung einzelner Prozesse verbessert werden. Durch die modulare Bauweise kann eine große Bandbreite an Produktkapazitäten abgedeckt werden.

 

Das System Perhydro-Dibenzyltoluol/Dibenzyltoluol (Mehrphasenreaktion)

Als vielversprechender LOHC erweist sich das System Perhydro-Dibenzyltoluol (18H-DBT, LOHC+) /Dibenzyltoluol (0H-DBT, LOHC-). Neben einer Speicherdichte von 62 gH2/kgLOHC+ (entspricht 2,1 kWhH2/kgLOHC+) ist der LOHC aufgrund der hohen Stabilität bei atmosphärischen Bedingungen einfach zu lagern. Darüber hinaus ist das Stoffsystem schwer entflammbar,  weder explosiv noch toxisch und gilt deshalb nicht als Gefahrgut. Daraus ergeben sich lukrative Möglichkeiten die bestehende Infrastruktur über Tanklastwägen für die Distribution des LOHC zu nutzen.

 

Reaktorkonzept für die Dehydrierung von Perhydro-Dibenzyltoluol

Für die Freisetzung des Wasserstoffs aus dem LOHC wird ein sog. Rondenreaktor verwendet. Unter Reaktionsbedingungen bleibt der LOHC+ flüssig, während es am Katalysator (in der Flüssigkeit) zur verstärkten Blasenbildung kommt. Die Mikrostruktur, in der die Strömung radial nach außen gerichtet ist kann der Volumenvergrößerung durch die fortschreitende Gasproduktion entgegenwirken und vereinfacht dabei die Abfuhr des Gases aus der Mehrphasenströmung.

Das System Perhydro-Benzyltoluol/Benzyltoluol (Gasphasenreaktion)

Ebenfalls als vielversprechender LOHC erweist sich das System Perhydro-Benzyltoluol (12H-BT, LOHC+) /Dibenzyltoluol (0H-BT, LOHC-). Neben einer Speicherdichte von 62gH2/kgLOHC+ (entspricht 2,1 kWhH2/kgLOHC+) ist der LOHC aufgrund der hohen Stabilität bei atmosphärischen Bedingungen einfach zu lagern. Darüber hinaus ist das Stoffsystem schwer entflammbar sowie nicht explosiv und gilt deshalb nicht als Gefahrgut. Daraus ergeben sich lukrative Möglichkeiten die bestehende Infrastruktur über Tanklastwägen für die Distribution des LOHC zu nutzen.

 

Reaktorkonzept für die Dehydrierung von Perhydro-Benzyltoluol

Für die Freisetzung des Wasserstoffs aus dem LOHC wird ein mikrostrukturierter Membranreaktor verwendet. Auf der Reaktionsseite befindet sich ein Katalysatorfestbett mit Stegen, während auf der Separationsseite Mikrokanäle für die Abfuhr des Wasserstoffes sorgen. Zwischen den Mikrostrukturen ist eine mechanisch stabilisierte metallische Membran (Pd/PdAg mit 12-16 µm Stärke) eingeschweißt, die den Wasserstoff in hoher Reiheit aus dem Produktgemisch abtrennt.