Die Tanks von Kraftfahrzeugen auf der Basis einer Brennstoffzellentechnologie werden als Treibstoff mit Wasserstoff befüllt. Dieses Verfahren ist vergleichsweise umweltfreundlich, jedoch mit einem hohen energetischen bzw. technischen und somit kostenseitigem Aufwand verbunden. Mit Hilfe einer neuen Methodik zur chemischen Energiespeicherung, die in diesem Artikel vorgestellt werden soll, könnte die Kapazität und somit die Reichweite dieser Autos deutlich erhöht werden, indem eine größere Menge des Kraftstoffs durch eine spezielle chemische Bindung in den Behältern gespeichert wird.

Derzeit wird entweder ein sehr hoher Druck oder aber eine sehr niedrige Temperatur benötigt, um Brennstoffzellenautos überhaupt mit Wasserstoff betanken zu können. Demnach muss das bei normalen Umgebungstemperaturen im gasförmige Aggregatzustand vorliegende Element unter entsprechendem Aufwand entweder komprimiert oder verflüssigt werden, um es in den Tank füllen zu können. Ein Kompressor verdichtet das Gas bei einem Druck von etwa 700 bar im finalen Ausgangszustand, das anschließend in den davor vorgesehenen Behälter geleitet wird. Zu seiner Verflüssigung bedarf es einer Herunterkühlung des Antriebsstoffes auf etwa minus 253 Grad Celsius. Eine diesbezügliche Methode wurde beispielsweise im Beitrag „Kyrogene Speicher“ beschrieben. Im flüssigen Zustand kann der Wasserstoff sodann in den Tank gelangen, was allerdings eine entsprechend gute Isolation des Behälters aufgrund der kyrogenen Temperaturen erfordert.

Infolge der damit verbundenen Kosten wird daher in der Regel komprimierter Wasserstoff verwendet. Doch auch dieser Variante sind technische Grenzen gesetzt: zur Erreichung des vorgenanten Solldrucks müssen die Kompressoren in der Tankstelle bei fast 1.000 bar verdichten, was einerseits druckbeständige sowie entsprechend raumfordernd dimensionierte Tanks in Form eines Zylinders in den Autos erfordert und andererseits zu „Ladedauern“ der Verdichter und somit zu Wartezeiten bei den noch zu betankenden Fahrzeugen führt, bis der erforderliche Prozessdruck im Aggregat wieder aufgebaut ist. Um Gewicht zu sparen, werden die Drucktanks aus leichten, aber teuren Kohlefaserverbundwerkstoffen hergestellt.

Wie eingangs erwähnt, steht jedoch die gegenüber herkömmlichen Verbrennungstanks mit fossilen Kraftstoffen vergleichsweise geringe Reichweite mit der derzeitigen Wasserstofftechnologie seit bereits ca. 20 Jahren im Fokus der Forschung. So hat das Helmholtz-Zentrum für Material- und Küstenforschung in Geesthacht eine Technik auf Basis von sogenannten Metallhydriden entwickelt, die die Speicherkapazität von Wasserstofftanks deutlich steigern soll. Dieses Pulver aus Metallen oder Halbmetallen wie Titan, Lithium, Bor oder Magnesium wird in Form von gepressten Tabletten in den Tank gegeben und bindet dort den Wasserstoff, indem die Wasserstoffatome in das Metallgitter eingebaut werden. Die dabei resultierende platzsparende Ordnungsstruktur des Kristallgitters besitzt eine deutlich höhere Dichte als im gasförmigen oder flüssigen Aggregatzustand. Die chemische Verbindung bzw. Reaktion zwischen den verwendeten Metallen und dem Wasserstoff, die unter Abgabe von Wärme (exotherm) verläuft, wird als Metallhydrid bezeichnet.

Gegenüber dem konventionellen Gas- kann in einem Metallhydridspeicher bei gleichem Tankvolumen etwa doppelt so viel Wasserstoff gespeichert werden, was einer Reichweite von etwa 500 km entspricht. Darüber hinaus werden keine Hochdrücke von mehreren einhundert bar, sondern nur noch Niederdrücke im zweistelligen Bereich benötigt. Dadurch können Behälter aus herkömmlichen kostengünstigen Metallmaterialien eingesetzt werden, die zudem nicht mehr entsprechend des Druckniveaus dimensioniert werden müssen, so dass sich diese Variante nicht nur als platz-, sondern auch als gewichts- und damit kostensparend erweist. Vorteilhaft bezüglich des niedrigeren Prozessdrucks können auch die schnelleren Ladezyklen der Tankstellen-Kompressoren zwischen den Betankungszeiten der Fahrzeuge sein, die demzufolge nicht mehr bis ca. 950, sondern nur noch bis etwa 50 bar Verdichtungsleistung ausgelegt werden müssen. Zudem wirkt das Metallhydrid nicht nur wie ein Verdichter auf die Gasmoleküle, sondern entzieht dem Wasserstoff wie ein Filter auch eventuelle Verunreinigungen, die durch eine entsprechende Temperaturbehandlung des Pulvers jedoch wieder entfernt werden können. Verunreinigungen des Kraftstoffs und somit des Hydrids reduzieren zwar die Speicherkapazität des Tanks, schonen durch die Zufuhr von reinem Wasserstoff jedoch die Lebensdauer der Brennstoffzelle.

Die Werkstofftechnologieforscher arbeiten derzeit noch an der Reduzierung der Prozesstemperatur auf etwa 80 °C zur kontrollierten Freigabe bzw. Überwindung der Bindungsenergie des zum Fahrzeugantrieb benötigten Wasserstoffs aus dem Verbundgitter des Metallhydrids, was in etwa der Arbeitstemperatur der nachgelagerten Brennstoffzelle entspricht, sowie damit zusammenhängend an der zeitlichen Beschleunigung des Tankvorgangs. Der Automobilkonzern Volkswagen testet diese Art von Tanks für Brennstoffzellen-Autos bereits. So soll Wasserstoff bei der deutschen Energiewende hin zu einer Energieversorgung auf der Basis von regenerativen Energiequellen eine zentrale Rolle spielen. Nähere Informationen zum Thema bzgl. der Kombination von Wasserstoff und Brennstoffzellen als Antriebstechnologie finden sich auch im Artikel „Inbetriebnahme des Wasserstoff-Brennstoffzellen-Zuges“.