Metallhydride

Metallhydride sind ein gro?er Bereich der Absorptionsspeicher. Dabei wird ein Metall oder eine Metalllegierung als Speichermedium verwendet. Das Metallgitter kann man sich als eine enge Packung aus kleinen Kügelchen vorstellen, zwischen denen kleine Lücken vorhanden sind. Diese freien Stellen werden als Nebengitterpl?tze oder einfach als Lücken in er Gitterstruktur bezeichnet. Wasserstoff als kleinstes chemisches Element im Periodensystem kann in diesen Lücken angelagert werden. Durch einen ?u?eren Druck von 20 bar bis 100 bar, der genaue Wert ist vom verwendeten Material abh?ngig, kann der Wasserstoff in das Metall hineingedrückt werden. Dafür wird der Wasserstoff erst durch Physisorption an der Oberfl?che gebunden und gespalten. Der atomare Wasserstoff wird in das Metall eingebracht. Durch Diffusionsvorg?nge gelangt der Wasserstoff zu diesen Lücken und ordnet sich dort in die Gitterstruktur ein. Der Wasserstoff geht hierbei in einen geordneten Zustand des Gitters über.

Durch diesen Vorgang wird Energie freigesetzt und das Metall heizt sich auf. Dadurch k?nnen Temperaturen von einigen hundert Grad Celsius erreicht werden. Um an dieser Stelle einen Brand oder sogar eine Wasserstoffexplosion zu verhindern, werden W?rmeleiter in das Material miteingearbeitet, deren einzige Aufgabe darin besteht, die auftretende W?rme schnell und gleichm??ig dem K?rper zu entziehen und an die Umgebung abzugeben. (Geltmann, 2012)

?

Durch die Einlagerung des Wasserstoffes wird die Gitterstruktur leicht verzerrt und aus dem ursprünglichen Metall wird lokal ein Metallhydrid.? Ein gro?er Vorteil dieser Art der Speicherung ist die feste und stabile Bindung des Wasserstoffes, sobald er in den Gitterlücken gespeichert ist. Es werden keine speziellen ?u?eren Voraussetzungen, zum Beispiel das Aufrechterhalten oder Aushalten von hohen Drucken ?

( Wasserstoff-Gas-Tank bei 700bar) oder das kontinuierliche Abkühlen auf niedrige Temperaturen (kryogene Flüssig-Wasserstoffspeicher bei 20K bzw. -253°C) ben?tigt?(Geltmann, 2012). Auch spontanes Austreten von Wasserstoff ist bei dieser Speicherform fast nicht m?glich. Sollte diese Situation trotzdem auftreten, muss mindestens die Energie, die bei der Bindung des Wasserstoffes freigegeben wurde, aufgebracht werden, um den Wasserstoff auch wieder aus der Gitterlücke zu l?sen. Da hierbei keine Energie von au?en zugeführt wird, wird die Energie aus der direkten Umgebung verwendet. Da die leichteste Energieumwandlung von und in W?rme stattfindet, wird dem Metall die Energie in Form von W?rme entzogen, sodass sich das Speichermedium abkühlt. Bei niedrigen Temperaturen erschwert sich der Prozess weiter Wasserstoffatome aus dem Gitter zu l?sen, da wiederum weitere Energie ben?tigt wird, um den Vorgang aufrecht zu erhalten. Die spontane Ausl?sung von Wasserstoff ist somit ein Vorgang, der sich selbst behindert und sogar verhindert.

?

Um den Wasserstoff wieder kontrolliert aus der Bindung zu l?sen, wird dem Speichermedium W?rme zugeführt. Durch die zus?tzliche Energie kann der Wasserstoff aus den Lücken entweichen und kann für die weitere Anwendung verwendet werden. Neben den hohen Temperaturen, ist auch die Geschwindigkeit der Be- und Entladung der Metallhydride ein Faktor. Da das Ein- und Austreten des Wasserstoffes sowie die Bewegung innerhalb des Metalls rein auf Diffusion basiert, ist der Vorgang dementsprechend lang und zeitaufwendig.

?

Die volumenbezogene Speicherdichte des Wasserstoffes in Metallhydride übertrifft sogar die der Speicherung von flüssigem Wasserstoff. Hingegen die massenbezogene Speicherdichte l?sst zu wünschen übrig. Durchschnittlich werden mit dem heutigen Stand der Technik Werte von 1,5-6,5 wt-% m?glich. Ein Anwendungsbeispiel von Metallhydriden ist im Bau von U-Booten. Mit einem Gewicht von 250 kg Speicher kann eine Menge von 5 kg Wasserstoff, entspricht ungef?hr 2 wt-%, gespeichert werden. Bei U-Booten ist das hohe Gewicht an toter Masse der Metallhydride kein Nachteil, es wird sogar als positiver Effekt als Sinklast verwendet?(Geltmann, 2012). Das hohe Gewicht wird durch die verwendeten Materialien verursacht. Leichtmetalle wie Natrium oder Mangan weisen eine geringere Masse auf, haben aber eine schlechte Speicherkapazit?t von Wasserstoff oder die Bindung ist zu stark, sodass zu viel Energie in der Festsetzung des Wasserstoffes freigegeben wird und in der Ruckreaktion wieder zugeführt werden muss. ?bergangsmetalle wie Lanthan, Titan oder Nickel sind vergleichsweise deutlich schwerer, k?nnen aber auch das Wasserstoff lukrativer binden. Eine Mischung aus beiden zeigt hier den Kompromiss auf. Folglich sind die meisten eingesetzten und zu erforschenden Metallhydride eine Metalllegierung.

?

?

?

Vorteile

• niedrige Drücke
• kompakte Bauweise
• Wiederbefüllung mehrere tausend Mal durchführbar
• hohe Reinheit des desorbierten Wasserstoffs
• keine Abdampfverluste (anders als LH₂)
• zur Desorption von Niedertemperaturhydriden reichen niedrige Temperaturen

?

Nachteile

• niedrige gewichtsbezogene Speicherdichte
• hohes Gesamtgewicht, das jedoch bei Schiffen/U-Booten durchaus sinnvoll als Ballastmasse nutzbar w?re
• geringe Reichweite von Fahrzeugen
• lange Betankungsdauer
• W?rmeableitung notwendig (zus?tzliches Gewicht; Verringerung der nutzbaren Masse)

?

?

?

Physikalischer Hintergrund

Der Wasserstoff wird im Metall als sogenanntes Gittergas eingelagert. Er wird dissoziiert und lagert sich in den Zwischengitterpl?tzen des Wirtsgitters, je nach Metallstruktur in den Oktaeder- bzw. Tetraederlücken, an. Die Einlagerung kann über das Ising-Modell für bin?re Metalllegierungen beschrieben werden, wobei Wasserstoff und nicht besetzte Leerstellen die beiden Verbindungspartner darstellen. Bindet sich ein Wasserstoff auf einem Zwischengitterplatz, so wird das Gitter lokal an dieser Stelle verzerrt. Diese Spannungen erleichtern es weiteren Wasserstoffatomen sich dort anzulagern. Im Gegenzug werden an Leerstellen die Ansammlung weiterer Leerstellen begünstigt. Dies bedeutet das die Wechselwirkungsenergien gleicher Stoffsorten, εHH und εLL, betragsm??ig gr??er sind als die Wechselwirkungsenergie der beiden Partner untereinander, εHL.

?

Es gibt verschiedene Faktoren, welche sich auf die Einlagerung von Wasserstoff in Metallen auswirken. Verunreinigungen an der Oberfl?che oder im Inneren der Struktur k?nnen sich auf die Kinetik der Aufnahme und Abgabe auswirken. Auch die entstehende bzw. aufgenommene W?rme wirkt sich auf die Kinetik aus. Um dies zu umgehen, werden thermische Leiter benutzt, um hier für einen guten Austausch mit der Umgebung zu sorgen. Auch k?nnen unerwünschte Nebenreaktionen das Eindringen des Wasserstoffes in das Metall verhindern. Oxidationsschichten oder Reaktionen von Metall und Wasserstoff k?nnen das Metall inert machen. Es wird auf Nanopartikel ausgewichen, um zum einen die Oberfl?che zu vergr??ern und zum anderen den Wasserstoffatomen Diffusionswege zwischen den einzelnen Keimen zu erm?glichen. Durch Verformung des Metalls kann es zu lokalen Umlagerungen des Wasserstoffes kommen. Die Verformung bewirkt eine Verzerrung des Gitters und erzeugt neue Versetzungen. Beides kann die Einlagerung begünstigen, aber auch benachteiligen.