Zusammenfassung

Erneuerbare Energiequellen sind oft nur bedingt regelbar, wie z.B. Photovoltaik oder Windkraft. Dabei kommt es einerseits zu kurzfristigen Schwankungen auf Grund der aktuellen Wetterlage und Tageszeit, aber auch zu saisonalen Schwankungen, insbesondere bei Solarenergie. Um eine stabile Energieversorgung zu gewährleisten, sind effiziente Speicher daher essenziell. Kurzfristige Schwankungen können durch Batteriesysteme und eine intelligente Steuerung von Verbrauchern ausgeglichen werden. Bei Langzeitspeichern sind neben Effizienz und Wirkungsgrad auch volumetrische Speicherdichte (somit also der Platzbedarf), Stabilität und Sicherheit wichtige Themen.

In diesem Zusammenhang ist Wasserstoff ein höchst interessanter Energieträger. Wasserstoff kann mittels Elektrolyse aus elektrischer Energie und Wasser gewonnen und zu einem späteren Zeitpunkt verwendet werden, was ihn in Zukunft zu einem unersetzlichen und universellen Energieträger und Rohstoff machen wird. Hierbei ist die effiziente Speicherung von Wasserstoff ein zentraler Bestandteil, entsprechend ist die Speicherung auch in der österreichischen und
europäischen Wasserstoffstrategie inkludiert. Wasserstoffgas hat jedoch eine niedrige volumen-bezogene Speicherdichte und für die lokale Speicherung von geringer und mittlerer Kapazität benötigt man häufig hohe Drucke oder kryogene Temperaturen. Diese Speicher sind relevant für ein effizientes Energiesystem, welches mit einer großen Zahl wetterabhängiger Energiequellen auskommen muss. Angesichts stark steigender Kosten zur Stabilisierung des Stromnetzes (2023: 150 Mio € Redispatch-Kosten im Vergleich zu 5 Mio € vor 10 Jahren) sind hier langfristig signifikante Innovationssprünge vonnöten.

Ein solcher Innovationssprung wäre die reversible Speicherung in Form von festen Metallhydriden, also Verbindungen zwischen einem Metall und Wasserstoff. Diese Speicher haben eine extrem hohe volumen-bezogene Speicherdichte. Hydridbildende Metalle oder Legierungen, die sich als Speicher eignen, sollen aber neben einer möglichst hohen Kapazität auch eine schnelle Be- und Entladung mit Wasserstoff nahe Raumtemperatur und bei niedrigen Gasdrucken ermöglichen.

Neuartige Multikomponentenlegierungen, sogenannte „Hochentropielegierungen“ oder „High Entropy Alloys (HEAs)“ weisen sehr attraktive Wasserstoff-Sorptionseigenschaften und eine hohe Speicherkapazität auf, und erlauben durch ihre vielseitige Chemie eine präzise Einstellung des Absorptionsverhaltens. Die Beladeeigenschaften (Aktivierung, Stabilität) müssen jedoch noch verbessert werden, um ein effizientes Speichermaterial zu erhalten. Denn viele Metallhydride haben den Nachteil, dass eine aufwändige Aktivierung notwendig ist. Das aktivierte Material ist oft empfindlich gegenüber Verunreinigungen, wie z.B. Sauerstoff, und pulverisiert durch das Be- und Entladen, was zu Problemen mit Ventilen, Wärmeübertragung und Gasdurchlässigkeit führt.

Aktuelle Ergebnisse an nanoporösen Metallhydriden in einem Grundlagenprojekt der Montanuniversität Leoben (“Strategic Core Research Area SCoRe A+ Hydrogen and Carbon”) zeigen einen höchst vielversprechenden Weg, diese Nachteile zu beseitigen. Hierbei wird die Speicherlegierung gemeinsam mit einer zweiten Phase, der sogenannten „Opferphase“, durch Hochdrucktorsion hochverformt. Durch Herauslösen der Opferphase kann schlussendlich ein homogener Metallschaum im Labormaßstab hergestellt werden. Die große Oberfläche sowie durch die Hochverformung generierte Gitterdefekte führen zu einer raschen Be- und Entladung ohne Aktivierung und zu einer hohen Verunreinigungsresistenz, welche essentielle Voraussetzungen für die kommerzielle Anwendung darstellen.

Im geplanten Projekt soll daher mit Unterstützung durch die Förderung diese sehr grundlegende Route (TRL 2) für industrielle Anwendungen nutzbar gemacht werden. Die Motivation des Projektkonsortiums liegt dabei primär im Aufbau von Know-How und der gemeinsamen Verwertung der gewonnenen IPs. Aber auch für die akademischen Projektpartner wichtige Punkte wie internationale Sichtbarkeit durch wissenschaftliche Publikationen und die forschungsgeleitete Lehre zu gesellschaftlich wichtigen Themen sind integrale Bestandteile des Projekts.

Das Projekt leistet einen Betrag zur Technologieführerschaft in der Wasserstoffspeicherung und -infrastruktur und damit starken Wachstumsmärkten, und greift auf die starken akademischen und industriellen Kompetenzen im Bereich der Materialwissenschaft in Österreich zurück.