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Wasserstoffspeicher

Definition: Speicher für Wasserstoff als Energieträger

Englisch: hydrogen storage

Kategorien: Energiespeicherung, Grundbegriffe

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Erstellung: 21.10.2019

Wasserstoff kann als ein Energieträger für verschiedene Zwecke dienen. Ein wesentlicher Aspekt insbesondere für eine Wasserstoffwirtschaft als eine Vision für unsere zukünftige Energieversorgung wäre die Speicherung von Wasserstoff, um effektive Energiespeicher zu realisieren. Hierfür gibt es verschiedene Möglichkeiten, die in diesem Artikel vorgestellt werden.

Drucktanks

Um wesentliche Mengen von Wasserstoff-Gas in einem begrenzten Volumen speichern zu können, muss man das Gas auf einen hohen Druck komprimieren. Hierfür gibt es Druckgasflaschen und Drucktanks, die typischerweise für Drucke in der Größenordnung von einigen hundert bar geeignet sind. Beispielsweise können Drucktanks für mit Wasserstoff betriebene Kraftfahrzeuge (etwa mit Brennstoffzellen) gebaut werden, die heute üblicherweise für einen Maximaldruck von 700 bar oder gar 800 bar ausgelegt sind. Eine weitere Entwicklung für Drucke sogar deutlich oberhalb von 1000 bar erscheint als technisch möglich. Die verwendeten Druckgasflaschen müssen aus optimierten Materialien bestehen (die durch den Wasserstoff nicht verspröden) und spezielle Verschlüsse aufweisen, da sonst hohe Verluste durch Diffusion auftreten würden.

Leider ist die volumetrische Energiedichte von Wasserstoff selbst bei hohen Drucken nicht allzu hoch; die Dichte ist eben relativ niedrig. Beispielsweise beträgt die Dichte bei 700 bar lediglich ca. 63 kg/m3; somit benötigt 1 kg Wasserstoff selbst bei diesem hohen Druck immer noch ein Volumen von ca. 16 Litern. Zusammen mit dem relativ hohen spezifischen Heizwert von 120 MJ/kg erhält man eine volumetrische Energiedichte von 7,55 MJ/l (Megajoule pro Liter). Dies ist wenig im Vergleich z. B. zu Benzin mit knapp 31 MJ/l, und gleichzeitig erfordert eine Speicherung bei diesem hohen Druck natürlich einen starken und entsprechend schweren Behälter. Dies führt dazu, dass beispielsweise ein 40-Tönner-Lkw so derzeit nur ca. 400 kg komprimierten Wasserstoff transportieren kann. Für eine Belieferung von Wasserstoff-Tankstellen wäre dies beispielsweise ein ziemlich unbefriedigender Wert; der Transportaufwand wäre weitaus höher als der für flüssige Kraftstoffe.

Ein weiteres Problem ist der Energieaufwand für die Kompression des Wasserstoffs, der natürlich mit dem Druck ansteigt. Beispielsweise kostet die Kompression von 1 bar auf 800 bar ca. 17 MJ/kg, was ca. 12 % des Brennwerts oder 14 % des Heizwerts des Wasserstoffs ausmacht. Theoretisch könnte ein Teil davon bei der Entladung wieder zurückgewonnen werden, aber dies ist oft nicht praktikabel.

Wo der Platzbedarf keine Rolle spielt, kann Wasserstoff natürlich auch bei moderaten Drucken gespeichert werden. Beispielsweise könnte man ähnlich wie bisher für Erdgas unterirdische Speicher in geeigneten geologischen Formationen realisieren, die dann allerdings auf das Volumen bezogen wesentlich niedrigere Speicherkapazitäten hätten.

Grundsätzlich ist zu beachten, dass Wasserstoff sehr leicht durch kleinste Lücken diffundiert, also wesentlich schwerer einzuschließen ist als beispielsweise Luft oder Erdgas.

Tanks für flüssigen Wasserstoff

Eine höhere Speicherdichte bei gleichzeitig stark reduziertem Druck ist möglich durch die Speicherung verflüssigten Wasserstoffs bei einer sehr niedrigen Temperatur von −253 °C, also nur 20 Kelvin oberhalb des absoluten Temperaturnullpunkt. Selbst hier beträgt die Dichte nur 70,8 kg/m3, was bezüglich des Heizwerts zu einer Energiedichte von nur 8,5 MJ/l führt – weniger als ein Drittel des Werts für Benzin.

Der Energieaufwand für die Verflüssigung des Wasserstoffs ist erheblich; je nach gewählter Technologie entspricht er mindestens etwa einem Fünftel des Heizwerts, oft aber sogar mehr als ein Viertel.

Trotz guter Wärmedämmung eines Tanks verflüssigten Wasserstoffs dringt ständig ein wenig Wärme ein, die zu einem stetigen Abdampfen (Boil-off) führt. Wenn dies nicht durch eine kontinuierliche Kühlung verhindert werden können, muss dem Tank ständig eine gewisse Menge Wasserstoff entnommen werden, die unter Umständen nicht verwertbar ist (z. B. in einem stehenden Fahrzeug) und ungefährlich entsorgt werden muss (z. B. durch Verbrennung oder katalytische Oxidation). Der Tank eines Kraftfahrzeugs würde sich auf diese Weise innerhalb einiger Wochen komplett entleeren, da man eine Wärmedämmung nur mit begrenzter Dicke realisieren kann. Bei größeren Tanks wäre dieses Problem relativ gesehen geringer, ebenso für Anwendungen mit einem stetigen Verbrauch.

Tanks für transkritische Speicherung

Eine deutlich höhere Dichte des Wasserstoffs im Speicher von bis zu ca. 100 kg/m3 ist möglich mit transkritischer Speicherung, was einer Kombination einer recht niedrigen Temperatur von z. B. −220 °C mit einem sehr hohen Druck bis zu 1000 bar entspricht. Die Anforderungen bezüglich Wärmedämmung sind also nicht viel geringer als bei Speicherung von flüssigem Wasserstoff, und dazu kommt die Handhabung des sehr hohen Drucks.

Wasserstoffträger

Um die oben beschriebenen Probleme der Speicherung von Wasserstoff zu lösen, kann man auch diverse Arten von Wasserstoffträgern einsetzen, also feste oder flüssige Substanzen, an die größere Mengen von Wasserstoff angelagert werden können.

Im Prinzip kommen unterschiedliche Arten der Anlagerung von Wasserstoff infrage. Im einfachsten Fall handelt es sich um eine rein physikalische Adsoption ohne Veränderung chemischer Bindungen. Hierfür können Materialien wie Aktivkohle oder Zeolithe verwendet werden. Allerdings können wesentliche Mengen von Wasserstoff nur dann angelagert werden, wenn solche Speicher auf recht niedriger Temperatur gehalten und mit hohem Druck betrieben werden. Selbst dann sind die erzielten Speicherdichten meist nicht allzu hoch.

Höhere Speicherdichten sind möglich durch Substanzen, bei denen der Wasserstoff beim Beladen eine moderat exotherme chemische Reaktion mit dem Trägermaterial durchführt. Hier sollte die Bindungsenergie betragsmäßig nicht allzu hoch sein, weil sonst der Energieaufwand für die spätere Ablösung des Wasserstoffs beim Ausspeichern (Dehydrieren) zu hoch wäre. Beispielsweise kann Wasser nicht als Energieträger gelten; zwar könnte man daraus durch Elektrolyse Wasserstoff gewinnen, aber nur mit hohem Aufwand an elektrischer Energie. Dagegen können diverse Wasserstoffträger den gebundenen Wasserstoff durch Zufuhr lediglich einer moderaten Menge von Wärme wieder abgeben. Während eine Abgabe schon bei relativ geringen Temperaturen energetisch günstiger wäre, könnte dies sicherheitstechnisch problematisch sein; diesbezüglich ist es besser, wenn Wasserstoff erst bei höheren Temperaturen entweicht. Im Idealfall kann hierbei bei der Nutzung des Wasserstoffs anfallende Abwärme genutzt werden, sodass keine zusätzlicher Energieaufwand entsteht, der den Gesamtwirkungsgrad vermindern würde.

Von wesentlicher praktischer Bedeutung sind außer der Speicherdichte und den Energieumsätzen durch die Bindungsenergie die Betriebsbedingungen bei der Ein- und Ausspeicherung, insbesondere der Druck und die Temperatur. Beispielsweise ist es günstig, wenn für die Einspeicherung kein allzu hoher Druck notwendig ist, und wenn die Beladung bei einer hohen Temperatur erfolgen kann, sodass die entstehende Abwärme eher nutzbar ist. Dagegen ist eine allzu hohe Temperatur für die Ausspeicherung natürlich ungünstig; sie würde die Nutzung von Abwärme erschweren. Außerdem sollte bei der Ausspeicherung gewonnener Wasserstoff möglichst wenig durch verdampftes Trägermaterial verunreinigt werden, d. h. der Dampdruck bei der Entladetemperatur sollte gering sein. Die genannten Anforderungen stehen teils im Konflikt zueinander, können also grundsätzlich nicht alle gleichzeitig ideal erfüllt werden.

Natürlich sollte die verwendete Substanz zusätzlich eine hohe Zyklenstabilität aufweisen, also nicht beispielsweise mit der Zeit zersetzt werden und an Aufnahmekapazität verlieren. Zudem sind eine hohe Umweltverträglichkeit und geringe Giftigkeit ebenso wie die Nicht-Brennbarkeit wünschenswert.

Feste Wasserstoffträger: Adsorptions- und Metallhydridspeicher

Wie oben bereits erläutert, gibt Adsorptions-Wasserstoffspeicher, die allerdings stark gekühlt werden müssen und nur eine geringe Speicherdichte erzielen. Höhere Speicherdichten sind möglich mit Metallhydridspeichern. Hier reagiert der Wasserstoff mit einem spröden Metall, wobei ein festes Metallhydrid entsteht. Hierin wird der Wasserstoff so fest gebunden, dass er normalerweise bei Raumtemperatur nicht mehr entweicht. Für eine Entladung muss ein solcher Speicher stark aufgeheizt werden.

Metallhydridspeicher wurden erfolgreich entwickelt, sind aber bislang nur für Sonderanwendungen wie U-Boote praktikabel. Bei der Optimierung von Metallhydridspeichern muss ein Kompromiss eingegangen werden zwischen einer hohen Speicherkapazität und einer akzeptablen Temperatur und Wärmemenge für die Entnahme. Ein Problem ist häufig die hohe Masse des Metalls; der Anteil des gespeicherten Wasserstoffs beträgt höchstens ganz wenige Prozent.

Flüssige Wasserstoffträger

Flüssige Wasserstoffträger hätten den Vorteil, dass sie einfach in Tanks gespeichert oder durch Rohrleitungen transportiert werden können. Hierfür kommen diverse organische (also auf Kohlenstoff und Wasserstoff basierende) Substanzen infrage, die als LOHC (= liquid organic hydrogen carriers) bezeichnet werden. Untersucht wurde insbesondere Toluol, dass durch Hydrierung zu Methylcyclohexan umgewandelt wird, außerdem N-Ethylcarbazol und Dibenzyltoluol. In all diesen Fällen werden C–C-Doppelbindungen bei der Hydrierung in Einfachbindungen überführt. Üblicherweise verwendet einen Katalysator für die Ein- und Ausspeicherung.

Dibenzyltoluol wird bereits seit Jahrzehnten als Wärmeträgeröl verwendet und hat sich in mehrerer Hinsicht gegenüber anderen Trägersubstanzen als überlegen erwiesen. Das Dibenzyltoluol kann immerhin mehrere Prozent seines Gewichts an Wasserstoff aufnehmen; ein Liter kann so ca. 660 Liter Wasserstoffgas (bei Normaldruck) speichern, was allerdings bzgl. Heizwert auch nur zu einer Energiedichte von 7,1 MJ/l führt, also gut viermal weniger als für Benzin. Durch den niedrigen Dampfdruck gelangt nur sehr wenig der Trägersubstanz bei der Entladung in den herausgelösten Wasserstoff – trotz der relativ hohen Entladetemperaturen von bis zu ca. 300 °C. Auch sicherheitstechnisch ist diese Substanz günstig, beispielsweise weitaus besser als Dieselkraftstoff: Es tritt bei moderaten Temperaturen praktisch kein Wasserstoff aus, wodurch die Substanz selbst in beladener Form praktisch unbrennbar ist.

Flüssige Wasserstoffträger (LOHC) könnten im Prinzip wie konventionelle flüssige Kraftstoffe verwendet werden, um Brennstoffzellen in Fahrzeugen zu versorgen, wobei die Energiedichte leider rund 4 bis 5 mal niedriger wäre. Ein Teil dieses Nachteils würde aber dadurch ausgeglichen, dass der Wirkungsgrad z. B. bei der Verstromung des Wasserstoffs mit Brennstoffzellen erheblich höher wäre als etwa bei der Verwendung von Kraftstoffen in Verbrennungsmotoren. Dadurch würden die zu transportierenden und speichernden Flüssigkeitsmengen “nur” um einen Faktor 2 bis 3 erhöht.

Idealerweise würde man Hochtemperatur-Brennstoffzellen verwenden, deren Abwärme ausreichend wäre, um die Entladung des Speichers zu ermöglichen. Der entladene Wasserstoffträger würde beim Tanken abgesaugt, um anderswo wieder neu mit Wasserstoff beladen zu werden.

Der “Ladezustand” solcher LOHC lässt sich relativ einfach messtechnisch überprüfen, beispielsweise über den Brechungsindex, eine optische Eigenschaft.

Siehe auch: Wasserstoff, Energiespeicher, Wasserstoffwirtschaft
sowie andere Artikel in den Kategorien Energiespeicherung, Grundbegriffe

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