Horizont Europa-Projekt HyLICAL : Magnetische Kühlung für industrielle Wasserstoffverflüssigung

Auf dem Weg zu einer CO₂-neutralen Gesellschaft wird Wasserstoff eine zentrale Rolle spielen. Gemessen am heutigen Verbrauch verfünffacht sich Schätzungen zufolge der weltweite Wasserstoff-Bedarf bis 2050 auf rund 550 Millionen Tonnen. Für die Speicherung von Wasserstoff werden jedoch große Mengen an Energie benötigt. Bei der Verflüssigung geht etwa ein Drittel des Energiegehalts des Wasserstoffs verloren, was den Prozess weitgehend unwirtschaftlich macht.
In dem mit rund fünf Millionen Euro geförderten Horizont Europa-Projekt HyLICAL will ein Team unter Beteiligung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR), der TU Darmstadt und des Start-up-Unternehmens MAGNOTHERM nun Technologien zur Speicherung von flüssigem Wasserstoff deutlich verbessern. Dazu setzt das Team auf magnetokalorische Materialien: Stoffe, die ihre Temperatur ändern, wenn sie in ein Magnetfeld gebracht werden.

Dr. Tino Gottschall vom Hochfeld-Magnetlabor Dresden (HLD) am HZDR erklärt:

Dazu wollen die Partner ihre Kompetenzen in den Bereichen Materialforschung, Anlagenentwicklung und Simulation bündeln und in eine neue Technologie überführen.

Denn Energie kann in Form von flüssigem Wasserstoff gespeichert und transportiert werden. Dies erfordert jedoch eine kostengünstige Verflüssigungstechnologie. Flüssiger Wasserstoff hat eine 70 Prozent höhere volumetrische Energiedichte als der an Wasserstofftankstellen komprimierte gasförmige Wasserstoff. Das macht den Transport und die Speicherung großer Mengen flüssigen Wasserstoffs attraktiv. Wasserstoff könnte in Zukunft eine größere Rolle im Verkehr spielen - bis hin zum Energieträger für die Schwerlastmobilität. Die Verflüssigung von Wasserstoff, wie sie im Vorhaben geplant ist, soll die technologische Machbarkeit zur Handhabung großer Mengen Wasserstoff sondieren.

Prof. Oliver Gutfleisch vom Institut für Materialwissenschaft an der TU Darmstadt umreißt die dem Projekt zugrundeliegende Idee: „Wir wollen eine alternative Technologie zur Verflüssigung etablieren, die auf dem Prinzip der magnetischen Kühlung beruht. Wenn wir das mit dem herkömmlichen Kühlprozess bildhaft vergleichen wollen, würde ein Magnet die Rolle des Kompressors übernehmen und das magnetokalorische Material die des Kühlmittels. Ihr Zusammenspiel ermöglicht es uns, die für die Wasserstoff-Verflüssigung nötigen tiefen Temperaturen zu erreichen“

Aus den langjährigen gemeinsamen Vorarbeiten heraus wurde 2019 die Firma MAGNOTHERM aus der TU Darmstadt ausgegründet. Das große Ziel des Start-ups: die Markteinführung der magnetischen Kühlung. Mit einem Getränkekühler für industrielle Anwendungen gibt es bereits ein kommerzielles Produkt. „Unsere Technologie bedeutet zudem eine massive Steigerung von Effizienz und Nachhaltigkeit, ganz ohne Kompressoren und umweltschädliche Kühlgase. So können wir die grüne Transformation beschleunigen“, erklärt Timur Sirman, einer der beiden MAGNOTHERM-Geschäftsführer. HyLICAL ist nun der nächste Schritt in Richtung Tieftemperatur-Anwendung.

Um die magnetische Kühlung in die industrielle Wasserstoffverflüssigung einzuführen, wollen die Forschenden nun einen Prototyp bauen. Dabei kann das Team auf die langjährige Expertise am HLD sowohl in der Entwicklung und Herstellung von Magnetspulen als auch in der Kryotechnik zurückgreifen.
Gottschall, seinerzeit Mitbegründer von MAGNOTHERM, meint:

Magnetokalorische Materialien, die im angestrebten Temperaturbereich arbeiten, entwickeln Wissenschaftler*innen an der Technischen Universität Darmstadt bereits.
Gutfleisch dazu:

Mit der Pilotanlage will das Team zeigen, dass die Wasserstoffverflüssigung nach dem magnetokalorischen Prinzip im industriellen Massstab machbar ist, das heißt konkret: für eine Produktion von mehr als 5 Tonnen pro Tag. Zudem wollen die Forschenden den Materialeinsatz an kritischen Rohstoffen zurückfahren. Das Team rechnet mit einem um bis zu 50 Prozent geringeren Energieverbrauch bei der Verflüssigung im Vergleich zur heute etablierten konventionellen Technologie. Damit soll flüssiger Wasserstoff deutlich kostengünstiger werden. Darüber hinaus ermöglicht das Konzept die Realisierung von Verflüssigungsanlagen, die in kleinem Maßstab und dezentral betrieben werden können. Diese Betriebsweise macht die Technologie daher auch für den Ausbau erneuerbarer Energiequellen interessant. Deren ebenfalls häufig dezentral gewonnene Energie könnte so über den Umweg des flüssigen Wasserstoffs vorteilhaft zwischengespeichert werden.

Anm.: Das Projekt wird von der Clean Hydrogen Partnership und ihren Mitgliedern unterstützt. - Finanziert von der Europäischen Union. Die geäußerten Ansichten und Meinungen sind jedoch ausschließlich die der Autoren und spiegeln nicht unbedingt die der Europäischen Union wider. Weder die Europäische Union noch die Bewilligungsbehörde können für sie verantwortlich gemacht werden.