Chemischer Energiespeicher (H₂)

Das Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V. (IUTA) beschäftigt sich seit 2007 mit der Entwicklung und dem Test von Wasserstoff- und Wärmespeichern, bei denen als Speichermaterialien geeignete Metallhydride eingesetzt werden.

Bestimmte Metalle bzw. Metallmischungen reagieren mit Wasserstoff unter Bildung von Metallhydriden. Dabei wird Wärme freigesetzt (Bildungsenthalpie). Die Rückreaktion, die Freisetzung von Wasserstoff, wird erreicht, wenn dem Metallhydrid wieder Wärme zugeführt wird. Damit eignet sich diese Reaktion sowohl zur Wasserstoffspeicherung, als auch zur Wärmespeicherung.

Dazu werden von IUTA zwei Hauptentwicklungslinien verfolgt:

Wasserstoffspeicher auf Basis von Natriumaluminiumhydriden.
Dabei stand bei der Konstruktion die prinzipielle Serienfertigungstauglichkeit des Speichers im Fokus der Entwicklung. Der Speicher eignet sich auf Grund des Betriebstemperaturniveaus in idealer Weise zur Kopplung mit einer Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle liefert dabei die Wärme, um den Wasserstoff aus dem Speicher freizusetzen. Anwendungsgebiete für den Speicher sind stationäre Brennstoffzellensysteme,

Hochtemperaturwärmespeicher auf Basis von Magnesiumhydrid.
Zielsetzung bei dieser Entwicklung ist die Speicherung von Wärme bis zu einem Temperaturniveau von 550 °C. Ein entsprechender Speicher wurde im Labormaßstab mit 5 kg Speichermaterial (Metallhydrid) entwickelt. Der Langzeit-Testbetrieb des Speichers und die Skalierung in den Technikumsmaßstab stehen aktuell im Fokus der Arbeiten. Anwendungen des thermochemischen Speichers sind die Wärmespeicherung in solarthermischen Kraftwerken für den Nachtbetrieb und in konventionellen Kraftwerken zur Flexibilisierung des Betriebs, sowie die Zwischenspeicherung von Prozesswärme zur Effizienzsteigerung in Industrieprozessen.

Die besonderen Kompetenzen des IUTA liegen bei der Auslegung, Konstruktion und dem Aufbau der druck- und temperaturstabilen Speicherbehälter und Anschlüsse, der Realisierung effektiver Wärmeübertragungen zwischen dem Speichermaterial und den Wärmeübertragungsfluiden (Thermoöle bzw. Salzschmelzen bei hohen Übertragungstemperaturen) und dem Aufbau und dem Betrieb von Versuchsständen zur Untersuchung dieser metallhydridbasierten Energiespeicher. Die Herstellung der Metallhydride erfolgt dabei durch den Kooperationspartner, dem Max-Planck-Institut (MPI) für Kohlenforschung, Mülheim a. d. Ruhr.

Ansprechpartner

Dr.-Ing. Robert Urbanczyk
urbanczyk@iuta.de
Tel. +49 20 65 / 418 – 222

Dr. rer. nat. Stefan Peil
peil@iuta.de
Tel. +49 20 65 / 418 – 222

Aktuelle Projekte

Forschungsprojekt EFRE-0801550 – HyHeatStore:
Entwicklung und Demonstrationsbetrieb eines anwendungsnahen, wasserstoffbasierten Hochtemperatur-Wärmespeichersystems – HyHeatStore

Forschungsprojekt EFRE-0800055 – HyKoHTPEM:
HT-PEM-Brennstoffzellensystem durch thermische und stoffliche Kopplung mit einem neuartigen Metallhydrid-Wasserstoffspeicher – HyKoHTPEM

IGF-Forschungsprojekt 19695 N:
Weiterentwicklung eines thermochemischen Wärmespeichers für Hochtemperaturanwendungen bis 550 °C
Laufzeit: 01.10.2017 – 31.12.2021

Publikationen

Balcerzak, M.; Urbanczyk, R.; Lange, F.; Helm, F.A.; Ternieden, J.; Felderhoff, M.
An insight into separating H2 from natural gas/H2 mixtures using Mg-based systems
Journal of Materials Chemistry A 2024
https://doi.org/10.1039/D4TA05654J

Albert, R; Wagner, C; Urbanczyk, R.; Felderhoff, M.
Effective thermal conductivity of dimagnesium iron hexahydride (Mg2FeH6) for heat storage applications
Applied Physics A 2023, 129, 62
https://doi.org/10.1007/s00339-022-06336-9

Adams, M.; Buckley, C. E.; Busch, M.; Bunzel, R.; Felderhoff, M.; Heo, T. W.; Humphries, T. D.; Jensen, T. R.; Klug, J.; Klug, K. H.; Møller, K. T.; Paskevicius, M.; Peil, S.; Peinecke, K.; Sheppard, D. A.; Stuart, A. D.; Urbanczyk, R.; Wang, F.; Walker, G. S.; Wood, B. C.; Weiss, D.; Grant, D. M.
Hydride-based thermal energy storage
Progress in Energy 2022, 4
https://doi.org/10.1088/2516-1083/ac72ea

Sun, T.; Peinecke, K.; Urbanczyk, R.; Felderhoff, M.
Influence of Synthesis Gas Components on Hydrogen Storage Properties of Sodium Aluminum Hexahydride
Hydrogen 2021, 2, 147–159
https://doi.org/10.3390/hydrogen2010009

Woeste, A.-L.; Balcerzak, M.; Urbanczyk, R.; Felderhoff, M.
Mg‐Based System for H2 Sorption from CH4/H2 Gas Mixture
Energy Technology 2021, 9
https://doi.org/10.1002/ente.202001079

Albert, R.; Wagner, C.; Urbanczyk, R.; Felderhoff, M.
Cycle Stability of the Effective Thermal Conductivity of Nickel‐Activated Magnesium Hydride Powder under Operating Conditions
Energy Technology 2020, 8
https://doi.org/10.1002/ente.202000356

Albert, R.; Urbanczyk, R.; Felderhoff, M.
Thermal conductivity measurements of magnesium hydride powder beds under operating conditions for heat storage applications
International Journal of Hydrogen Energy 2019, 44, 29273–29281
https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.01.218

Urbanczyk, R.; Peinecke, K.; Peil, S.; Felderhoff, M.
Development of a heat storage demonstration unit on the basis of Mg2FeH6 as heat storage material and molten salt as heat transfer media
International Journal of Hydrogen Energy 2017, 42, 13818–13826
https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.02.160

Urbanczyk, R.; Meggouh, M.; Moury, R.; Peinecke, K.; Peil, S.; Felderhoff, M. Demonstration of Mg2FeH6 as heat storage material at temperatures up to 550°C
Applied Physics A 2016, 122
https://doi.org/10.1007/s00339-016-9811-6

Urbanczyk, R.; Peinecke, K.; Meggouh, M.; Minne, P.; Peil, S.; Bathen, D.; Felderhoff, M.
Design and operation of an aluminium alloy tank using doped Na3AlH6 in kg scale for hydrogen storage
Journal of Power Sources 2016, 324, 589–597
https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.05.102

Urbanczyk, R.; Peinecke, K.; Felderhoff, M.; Hauschild, K.; Kersten, W.; Peil, S.; Bathen, D.
Aluminium alloy based hydrogen storage tank operated with sodium aluminium hexahydride Na3AlH6
International Journal of Hydrogen Energy 2014, 39, 17118–17128
https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.08.101

Urbanczyk, R.
Experimentelle Untersuchung der thermischen Kopplung einer HT-PEM-Brennstoffzelle mit einem Wasserstoffspeicher auf Basis von Natriumalanat,
Dissertation 2014, Universität Duisburg-Essen
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:464-20140325-075556-9

Felderhoff, M.; Urbanczyk, R.; Peil, S.
Thermochemical Heat Storage for High Temperature Applications – A Review
Green 2013, 3, 113–123
https://doi.org/10.1515/green-2013-0011

Urbanczyk, R.; Peil, S.; Bathen, D.; Heßke, C.; Burfeind, J.; Hauschild, K.; Felderhoff, M.; Schüth, F.
HT-PEM Fuel Cell System with Integrated Complex Metal Hydride Storage Tank
Fuel Cells 2011, 11, 911–920
https://doi.org/10.1002/fuce.201100012

Felderhoff, M.; Urbanczyk, R.; Peil, S.
Wasserstoffspeicherung im Festkörper-Komplexe Aluminiumhydride als Speicher für stationäre Anwendungen
Hzwei-das Magazin für Wasserstoff und Brennstoffzellen 2011, 11, 20–21

Urbanczyk, R.; Peil, S.; Hauschild, K.; Felderhoff, M.; Burfeind, J.; Heßke, C.
Thermisch mit einer HT-PEM-Brennstoffzelle gekoppelter H2-Speicher (NaAlH4) Chemie-Ingenieur-Technik 2010, 82, 1608
https://doi.org/10.1002/cite.201050326