Sicherheitstest zeigte überraschendes Verhalten von Wasserstoffspeichern

Forschungszentrum Karlsruhe führt erste Sicherheitsversuche mit neuartigen nanoskaligen Hochleistungsspeichern durch

Am Forschungszentrum Karlsruhe haben Wissenschaftler erste Sicherheitstests mit neuartigen Hochleistungsspeichermaterialien für Wasserstoff unter typischen Betriebsbedingungen eines Speichers durchgeführt: Sie erhitzten nanoskaliges Natriumalanat mit mehr als sieben Gewichtsprozent Wasserstoffanteil in einem verschlossenen Rohr. Der entstehende Wasserstoffdruck brachte eine Berstscheibe zum Platzen, das Nanopulver wurde in die Luft geschleudert. Entgegen den Erwartungen entzündete sich die Staubwolke nicht; eine Verpuffung blieb aus. Für die Entwicklung sicherer Wasserstoffspeicher in Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen ist dieses Ergebnis von großer Bedeutung. Ausgehend von diesem ersten Versuch sind nun weitere Untersuchungen geplant, um potenzielle Risiken der Materialien besser verstehen und beherrschen zu können.

Nanoskalige Pulver aus Wasserstoffspeichermaterialien gelten als aussichtsreiche Kandidaten, um in zukünftigen brennstoffzellengetriebenen Elektrofahrzeugen den Transport des Treibstoffs Wasserstoff zu übernehmen. Bis zu einem technischen Einsatz der Speicher sind jedoch noch eine Reihe wissenschaftlicher und technischer Fragen zu lösen. Dabei spielt auch die Sicherheit im Umgang und beim Betrieb der Materialien eine wichtige Rolle.

Im Rahmen der Arbeiten der HyTecGroup am Forschungszentrum Karlsruhe wurden nun erste Sicherheitstests mit neuen Hochleistungsspeichermaterialien für Wasserstoff durchgeführt. Dazu wurde ein Rohr mit etwa 100 ml eines am Forschungszentrum hergestellten, Titan-dotierten, nanoskaligen Natriumalanats, das einen Wasserstoffgehalt von mehr als 7 Gewichtsprozent aufweist, gefüllt. Das Rohr wurde beidseitig verschlossen. Dabei wurde auf einer Seite eine Berstscheibe eingesetzt, die bei 9 bar Überdruck schlagartig öffnet.

„Wir haben die Tests im Freien durchgeführt und das Versagen des Bauteils mit einer Reihe von Druck- und Temperatursensoren sowie einer Hochgeschwindigkeits- und einer Thermokamera verfolgt“, so Dr. Wolfgang Breitung, Leiter der Abteilung Strömung und Verbrennung des Instituts für Kern- und Energietechnik am Forschungszentrum Karlsruhe. Im Experiment am Wasserstoff-Sicherheitszentrum des Forschungszentrums wurde das Bauteil schrittweise auf 130 °C aufgeheizt, bis der sich aufbauende Wasserstoffdruck im Innern des Rohrs die Berstscheibe zum Platzen brachte und das heiße, fein verteilte Pulver mit 9 bar Überdruck in die Luft geschleudert wurde.

Das wichtigste Ergebnis: Eine Entzündung des Pulvers oder der gesamten Staubwolke fand dabei nicht statt.

„Dies ist zunächst überraschend, da wir davon ausgehen mussten, dass sich das nanoskalige Pulver an Luft schnell entzündet und eine Verpuffung auslöst“, so Dr. Maximilian Fichtner, Leiter der Wasserstoffspeicheraktivitäten am Forschungszentrum. „Es gibt allerdings Hinweise, dass der gleichzeitig ausgestoßene Wasserstoff eine allzu schnelle Reaktion des Materials mit dem Luftsauerstoff verhinderte. Dadurch hatte das Material Gelegenheit, an der Oberfläche der Pulverpartikel eine dünne Passivschicht zu bilden, welche die weitere Reaktion stark verlangsamte. Die Schlussfolgerung aus diesem Versuch ist, dass ein Störfall beim Betrieb des Fahrzeugs nicht zwangsläufig zu einem Feuer mit Verpuffung führen muss. Außerdem haben wir so Handlungshinweise für die Verbesserung der Sicherheit von Wasserstoffspeichern bekommen. Ausgehend von diesem ersten Versuch sind jetzt weitere Untersuchungen geplant, um das Verhalten dieser Hightech-Materialien besser verstehen und steuern zu können.“

In der HyTecGroup des Forschungszentrums Karlsruhe haben sich mehrere Arbeitsgruppen, die in der Wasserstofftechnologie aktiv sind, zusammengeschlossen. Das Ziel der Gruppe ist, die Einzelaktivitäten in den Bereichen stationäre und mobile Wasserstofferzeugung, Wasserstoffspeicherung und -sicherheit sowie der Technologiebewertung zu bündeln.

Das Wasserstoff-Sicherheitszentrum im Forschungszentrum Karlsruhe wurde mit Unterstützung namhafter Automobilhersteller und Energieversorger errichtet und im Oktober 2004 eingeweiht. Die damit eröffneten experimentellen Möglichkeiten ergänzen das langjährige Know-how des Forschungszentrums bei der computergestützten Simulation von Wasserstoff-Unfällen. Das Wasserstoff-Sicherheitszentrum ist die größte und vielseitigste Einrichtung ihrer Art in Europa. Hier werden Aspekte der Sicherheitsarchitektur für den tagtäglichen Umgang mit Wasserstoff untersucht, ohne die eine flächendeckende Verbreitung dieses Energieträgers nicht denkbar ist.

Das Forschungszentrum Karlsruhe ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, die mit ihren 15 Forschungszentren und einem Jahresbudget von rund 2,1 Milliarden Euro die größte Wissenschaftsorganisation Deutschlands ist. Die insgesamt 24000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Helmholtz-Gemeinschaft forschen in den Bereichen Struktur der Materie, Erde und Umwelt, Verkehr und Weltraum, Gesundheit, Energie sowie Schlüsseltechnologien.