Deutsche Forscher haben ein Wasserstoffspeicherprinzip auf Basis von Nanostrukturen entwickelt. Das Prinzip könnte in Zukunft die teure und energieintensive Speicherung von Wasserstoff in Drucktanks ersetzen. Das wichtigste Material der neuen Entdeckung ist das Edelmetall Palladium.

Veröffentlicht wurden die Ergebnisse der Studie bereits im Oktober 2021 in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift „ACS Nano“. Ein Zitat aus dem „Abstract“ zeigt, wie optimistisch die Forscher sind: „Die Ergebnisse belegen, dass ultrakleine Palladium Cluster (…) ein stabiles Wasserstoffspeichersystem mit reduzierter Wasserstoffspeicherhysterese sind und eine große Oberfläche für die Wasserstoffchemisorption aufrechterhalten“.

„Praline“ aus Iridium, Palladium und Wasserstoff

Worum geht es in der Studie? Forscher des Deutschen Elektronen-Synchrotrons (DESY) und der Universitäten Köln und Hamburg haben offenbar einen Weg gefunden, Nano Palladiumstrukturen zur Speicherung von Wasserstoff einzusetzen. Palladium kann Wasserstoff wie ein Schwamm aufnehmen. Diese Eigenschaft wollten sich die Forscher zunutze machen.

Deshalb wurden Palladiumpartikel mit einem Iridiumkern stabilisiert und auf einem Träger aus einer extrem dünnen Kohlenstoffschicht aus Graphen aufgetragen. Dabei gelang es, Palladiumpartikel in Abständen von nur zweieinhalb Nanometern an den Kohlenstoff  zu binden. So entstand den Forschern zufolge eine „regelmäßige, periodische Struktur“.

Nun kam die DESY Röntgentechnik PETRA III (Speicherring-Röntgenstrahlungsquellen ) zum Einsatz. Mit dieser konnten die Wissenschaftler den Kontakt zwischen den Palladiumpartikeln und dem Wasserstoff detailliert beobachten. Demnach haftete der Wasserstoff im Wesentlichen an den Oberflächen der Nanopartikel. Es kam demnach kaum zum Eindringen in die Partikel selbst.

Die Forscher verglichen die Struktur ihres Speicherprinzips mit einer Praline. Im Innern befindet sich eine Nuss aus Iridium, die von einer Schicht aus Palladium umhüllt und schließlich von außen mit Wasserstoff überzogen sei.

Ein Vorteil der Technik: Bereits eine geringe Wärmezufuhr reicht aus, um den gespeicherten Wasserstoff zurückzugewinnen. Dies liegt daran, dass der Wasserstoff an der Oberfläche haftet und dadurch nicht aus dem Inneren herausgedrückt werden muss.

Wasserstoff: Das Problem mit der Speicherung

Wasserstoffspeicher sind eine wesentliche Frage bei neuen Formen der Energieversorgung. Wasserstoff gilt als potenziell klima- und umweltfreundlicher Treibstoff, der im Flugverkehr ebenso zum Einsatz kommen könnte wie bei der Stahlherstellung. Ein Problem ist jedoch die Speicherung, die mit hohen Kosten und Energieverlusten einhergeht. Für die Speicherung ist eine Verflüssigung durch Druck bis zu 700 bar notwendig. Dabei wird der Wasserstoff auf -253 °C abgekühlt.

Wie viel Wasserstoff mit der neuen Technologie gespeichert werden könnte, ist noch unklar. Die Forscher wollen im nächsten Schritt erkunden, welche Speicherdichten mit der nun erprobten Methode möglich sind.

Dies ist nicht die einzige noch offene Frage, die in weiteren Studien geklärt werden muss. So könnte es etwa bessere Kohlenstoffstrukturen geben. Schwammartige Grundstoffe mit winzigen Poren könnten als Träger besser geeignet sein als das bislang verwendete Graphen.

Nationale Wasserstoffstrategie für die Energiewende

Ein Vorteil von Wasserstoff besteht darin, dass er sich prinzipiell durch Wind- und Solarenergie gewinnen lässt. Durch die weitreichenden Verwendungsmöglichkeiten könnte Wasserstoff dort zum Einsatz kommen, wo zum Beispiel batterieelektrische Lösungen mangels Reichweite nicht funktionieren – etwa zu Betankung von Flugzeugen.

Die Bundesregierung hat im Jahr 2020 die internationale Wasserstoffstrategie vorgestellt. Im Rahmen dieser Strategie sollen Wasserstofftechnologien als Kernelemente der Energiewende etabliert werden. Damit will die Regierung Produktionsprozesse dekarbonisieren.

Die insgesamt 38 Maßnahmen umfassen Pläne zum Markthochlauf der Technologien und zur Förderung von Forschung und Entwicklung.

Palladiummarkt 2021 trotz Chipkrise im Defizit

Sollte sich Palladium als wesentlicher Baustein für die Wasserstoffspeicherung herausstellen, könnte dies die Nachfrage nach dem Edelmetall deutlich stärken. Der Palladiumpreis hatte 2021 zunächst ein neues Allzeithoch bei rund 3000 USD pro Feinunze (31,103 g) erreicht. In der Folge kam es jedoch zu einer deutlichen Korrektur bis weit unter die Marke von 2000 USD.

Aktuell notiert der Palladiumpreis bei knapp 1920 USD. ein Grund für die schwächere Entwicklung insbesondere im zweiten Halbjahr 2021 war der Rückgang der Nachfrage aus der Automobilindustrie infolge der Chipkrise.