Wasserstoffspeicherung

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Die Wasserstoffspeicherung ist Teil einer Wasserstoffwirtschaft und der Wasserstoffherstellung nachgelagert. Die Eigenschaften des Wasserstoffs stellen bei seiner Speicherung ein besonderes wirtschaftliches und sicherheitstechnisches Problem dar.

Gebräuchliche Methoden der Speicherung und Lagerung sind:

Druckwasserstoffspeicherung in Druckbehältern
Flüssigwasserstoffspeicherung
Metallhydridspeicher

[Bearbeiten] Problemstellung

Wegen seiner chemischen und physikalischen Eigenschaften ist der Umgang mit molekularem Wasserstoff aufwendiger als mit bisher genutzten Energieträgern.

An der Luft bildet er hochexplosives Knallgas. Wasserstoff ist in einem sehr weiten Bereich des Mischungsverhältnisses mit dem Sauerstoff der Luft zündfähig (5% bis 85% Anteil). An Ventilen und versprödeten Leitungen und Tanks ausgetretener Wasserstoff kann eine Explosionsgefahr hervorrufen. Dies wird verstärkt bei Lecks aus Pannen. Wegen der gasförmigen Natur des Wasserstoffs ist das Erkennen einer Austrittstelle erschwert.

Wasserstoff hat nur eine geringe spezifische Dichte und daraus resultierend eine niedrige volumenbezogene Energiedichte (ca. 1/3 von Erdgas, aber ca. die dreifache massenbezogene Energiedichte). Dies erfordert zum Speichern äquivalenter Energiemengen einen dreimal so großen Tank oder einen dreimal so hohen Druck wie für Erdgas.

Durch die geringe Molekülgröße und eine niedrige Adsorption diffundiert Wasserstoff relativ gut durch eine Vielzahl von Materialien, sodass eine hohe Qualität der Tankhülle gewährleistet sein muss. Durch Hitze und hohen Innendruck wird dieser Prozess begünstigt. Durch Wasserstoffversprödung wird die Tankhülle zusätzlich belastet.

[Bearbeiten] Arten

[Bearbeiten] Druckwasserstoffspeicherung

Viele Probleme der Speicherung in Druckbehältern sind heute gelöst. Durch den Einsatz neuer Materialien ist der effektive Schwund durch Diffusion stark verringert. Für den Transport ist der Druckspeicher unüblich, da der Druckbehälter (Tank) schwer ist und spezielle Verschlüsse erfordert.

In jüngerer Zeit konnten einige praktische Probleme gelöst werden. Waren für den KFZ-Bereich um das Jahr 2000 noch Drucktanks mit 200 bis 350 bar üblich, so sind 2006 schon 700 bar Tanks üblich. Der Energieaufwand für die Komprimierung auf 700 bar beträgt ca. 15% des Energieinhaltes des Wasserstoffs.

[Bearbeiten] Flüssigwasserstoffspeicherung

Für große Mengen werden Flüssiggasspeicher eingesetzt. Dazu wird der Wasserstoff verflüssigt (LH₂) und unter Umgebungsdruck bei tiefen Temperaturen (Siedepunkt -252,8 °C, 20,4 K) gelagert. Der Druck stellt so für die Gestaltung des Tanks kein Problem mehr dar. Ein großer Aufwand muss bei der Wärmedämmung des Tanks und der Leitungen getrieben werden. Vorteilhaft ist die geringere Reaktivität bei tiefen Temperaturen und die um den Faktor 800 höhere Dichte des flüssigen Wasserstoffs im Vergleich zu gasförmigem Wasserstoff bei Umgebungsdruck. Trotzdem benötigt flüssiger Wasserstoff je Gewichtseinheit viel Platz. Er hat mit 71 kg/m³ eine nur minimal höhere Dichte als kleinporig geschäumtes Styropor (in einen 20-Liter-Eimer passen nur 1,42 kg Flüssigwasserstoff). Nachteilig sind prinzipbedingte Verdunstungsverluste, die zusätzlich wesentlich zur Kühlung beitragen.

Für den Einsatz in Automobilen wurden Tankroboter entwickelt, die die Kopplung und das Betanken übernehmen. Der Energieaufwand zur Verflüssigung beträgt ca. 20% des Energieinhaltes des Wasserstoffs (TU Dresden), dieser fällt jedoch nur einmalig an, späteres Umfüllen verbraucht relativ wenig Energie, etwa im KFZ-Bereich von der Fabrik zu Tanklastzügen zu Tankstellen und zu Fahrzeugen mit Flüssigwasserstoff.

[Bearbeiten] Metallhydridspeicher

Eine andere Möglichkeit zur Druckverringerung des molekularen Wasserstoffes ist die Lösung in anderen Speichermitteln. Wegen seiner weitgehend elektrisch und magnetisch neutralen Eigenschaften verwendet man kein flüssiges Lösungsmittel, sondern feste Speicherstoffe wie Metallhydride. Der Wasserstoff wird in den Lücken des Metallgitters eingelagert. Ein Kubikmeter Metallhydrid enthält mehr Wasserstoffatome als ein Kubikmeter verflüssigter Wasserstoff. In einem Metallhydridspeicher kann fünfmal mehr elektrische Energie gespeichert werden als in einem Bleiakkumulator gleichen Gewichts^[1]. Kritisch für die Auswahl der Materialien sind die Absorptions- und Desorptionstemperatur und -druck, bei welchen Wasserstoff gespeichert und wieder abgegeben wird, und das hohe Gewicht des Tanks.

[Bearbeiten] Kohlenwasserstoffe

Neben den Möglichkeiten der Speicherung von molekularem Wasserstoff gibt es eine ganze Reihe von Möglichkeiten des Transports und der Lagerung in chemisch gebundener Form. Insbesondere Kohlenwasserstoffe wie Methanol sind hier geeignet. Sie erzeugen mittels Reformierung ein wasserstoffreiches Gasgemisch. Bei Brennstoffzellen besteht die Möglichkeit, den Wasserstoff unmittelbar zur Gewinnung von elektrischem Strom und Wärme einzusetzen.

Diese Möglichkeit zählt nicht zur Wasserstoffspeicherung im engeren Sinne, die sich auf den technischen Prozess der Wasserstofflagerung bezieht. Im Rahmen einer Wasserstoffwirtschaft wird diese Möglichkeit dazugezählt, da hier Speicherung und Entnahme von Wasserstoff der Gegenstand des produktiven Prozesses ist, der auf der unterliegenden technischen Lagerungform auf anderen chemischen Stoffe aufsetzt. Die Behandlung als Hydrocarbon ermöglicht dabei, statt der Wasserstoffentnahme durch Reformierung das Lagermaterial direkt weiterzuverwenden.

[Bearbeiten] Einsatz

Bei allen drei vorgenannten Möglichkeiten der technischen Wasserstoffspeicherung verwendet man oft eine metallische Außenhülle für den Druckbehälter. Auch Flüssiggasspeicher und Metallhydridspeicher haben einen Innendruck, der temperaturabhängig ist. Für den umfassenden Druckbehälter kann es zum Problem der Wasserstoffversprödung kommen. Für die Hochdruckspeicherung bei 700 bar finden auch Carbonfasern Verwendung, um das Gewicht des Tanks niedrig zu halten.

Die Möglichkeiten zur Speicherung von Wasserstoff entsprechen im Wesentlichen der Möglichkeit zur Nutzung von Wasserstoff als alternativen Energieträger zu den bisher genutzten Energieträgern wie Erdölprodukten, Erdgas oder Elektrizität. Für große Mengen sind derzeit Flüssiggasspeicher in Verwendung. Für kleine Mengen werden zunehmend Metallhydridspeicher eingesetzt. Der mittlere Nutzungsbereich für PKW und Gebäudetechnik ist derzeit wirtschaftlich noch problematisch.