Wasserstoffspeicher

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 von Gasen und auch Wasserstoff sind:

• Druckgasspeicherung (Speicherung in Druckbehältern durch Verdichten mit Kompressoren)
• Flüssiggasspeicherung (Speicherung in verflüssigter Form durch Kühlung und Verdichten)

Eine spezielle Form der Speicherung von Wasserstoff ist der

• Metallhydridspeicher

sowie seine Lösung in anderen Feststoffen.

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, versprödeten Leitungen und Tanks kann austretender Wasserstoff explosionsgefährliche Konzentrationen erreichen. Dies wird verstärkt bei Lecks aus Pannen. Wegen der gasförmigen Natur des Wasserstoffs ist das Erkennen einer Austrittstelle nur erschwert möglich.

• 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 hohe Temperaturen und hohen Innendruck wird dieser Prozess begünstigt. Durch Wasserstoffversprödung wird die Tankhülle zusätzlich belastet.

Arten

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. Ein 40-Tonnen-LKW kann wegen dieses massiven Tanks nur 350 Kilogramm gasförmigen Wasserstoff transportieren.

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. 12 % des Energieinhaltes des Wasserstoffs.

Flüssigwasserstoffspeicherung

Linde-Tank für Flüssigwasserstoff, Museum Autovision, Altlußheim

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 betrieben 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 Polystyrol (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.

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 (kalten) Metallgitters eingelagert und bei Erwärmung des Speichers wieder abgegeben. 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. Sie erwiesen sich aber als so teuer und schwer, dass sie nur in U-Booten verwendet werden, wo beide Faktoren keine Rolle spielen.^[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.

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. 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.

Metal Organic Framework

Hauptartikel: Metal Organic Framework

Metall-organische Gerüste (engl. metal-organic frameworks, MOF) sind poröse Materialien mit wohlgeordneter kristalliner Struktur. Sie bestehen aus Komplexen mit Übergangsmetallen (meist Cu-, Zn-, Ni- oder Co) als "Knoten" und organischen Molekülen (Liganden) als Verbindung ("Linker") zwischen den Knoten. Durch Verwendung geeigneter Knoten und Linker, sowie durch Imprägnierung mit anderen Gastspezies, können die MOF für die Wasserstoffspeicherung optimiert werden. Die MOF bilden ein aktives Forschungsfeld und werden als eine der vielversprechendsten Technologien zur Wasserstoffspeicherung angesehen.

Energiedichten im Vergleich

Auf die Masse bezogen^[2]:

• Wasserstoff: 33,3 kWh/kg
• Erdgas: 13,9 kWh/kg
• Benzin: 12,7 kWh/kg

Auf das Volumen bezogen:

• Wasserstoff (flüssig): 2360 kWh/m³
• Benzin: 8760 kWh/m³
• Erdgas (20 MPa): 2580 kWh/m³
• Wasserstoffgas (20 MPa): 530 kWh/m³
• Wasserstoffgas (Normaldruck): 3 kWh/m³

Wirkungsgrad

Aus der Tabelle ist aber klar erkennbar, dass der Übergang von elektrischem Strom zu Wasserstoff und wieder zurück bei weitem nicht mit den Pumpspeicherkraftwerken bei Aufgaben der allgemeinen Stromversorgung konkurrieren kann, denn die Berechnung ergibt eine Speichereffizienz von weniger als 20 %.

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 technisch und wirtschaftlich noch so problematisch, dass beispielsweise DaimlerChrysler frühere Versprechungen aus dem Jahr 1997 korrigieren musste: Damals versprach der Konzern die Serieneinführung von Wasserstoffautos noch für das Jahr 2004. Heute gehen diese Entwickler davon aus, dass die ersten Brennstoffzellenautos zwischen 2015 und 2020 marktreif sein könnten.

Firmen die in die Forschung und Produktion von Wasserstoffspeichern involviert sind, sind z.B. in Deutschland Linde, in Norwegen und Island StatoilHydro^[3] und in den USA Quantum Fuel Technologies Worldwide. ^[4]

Siehe auch

• Wasserstofftechnologie
• Wasserstoffherstellung
• Wasserstoffversprödung
• Wasserstoffwirtschaft

Weblinks

• Hydrogeit - Wasserstoff
• Speichermöglichkeiten bei wbzu.de
• Forschung auf dem Gebiet Wasserstofftechnologie, GKSS-Forschungszentrum Geesthacht

Quellen

1. ↑ nano-Bericht von der HGW-Werft der U-Boote mit Brennstoffzellenantrieb aus Metallhydridspeicher
2. ↑ Energieinhalte im Vergleich
3. ↑ http://www.statoilhydro.com/en/TechnologyInnovation/NewEnergyAndRenewables/Hydrogen/Pages/Hydrogen.aspx
4. ↑ http://www.qtww.com/industries/hr.php