Wasserstoff gilt in der Politik als der Retter der Energiewende. Unabhängig, davon, dass für die Erzeugung des benötigten Wasserstoffs nicht genügend grüner Strom zur Verfügung steht, ist die Transport-Frage immer noch weitgehend ungeklärt (Ingenieure: 20.03.23).
Die Zukunft von Wasserstoff: Herausforderungen bei Transport und Speicherung
Geht es nach unseren Politikern, wird Wasserstoff ein zentraler Baustein für die Energiewende sein. Allerdings gibt es hier noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Neben der Produktion von grünem Wasserstoff ist auch der Transport und die Speicherung des hochexplosiven und flüchtigen Gases ein Schwerpunkt, an dem weltweit viele Experten arbeiten. Es gibt bereits verschiedene Lösungsansätze, aber bislang ist unklar, welche Methode am Ende die effektivste sein wird.
Druckgasspeicherung und unterirdische Kavernenspeicher
Um Wasserstoff zu speichern, wird bei der Druckgasspeicherung das Gas unter sehr hohem Druck verdichtet und in speziellen Drucktanks aufbewahrt. Die Tanks bestehen in der Regel aus Stahl oder Verbundmaterialien, um den hohen Druck von bis zu 700 bar oder mehr zu bewältigen. Die Speicherdichte steigt mit zunehmendem Druck, d.h. mehr Wasserstoff kann im gleichen Raum gespeichert werden, je höher der Druck ist.
Bild: DOE, Public domain, via Wikimedia Commons
Die Druckgasspeicherung wird typischerweise in der Automobilindustrie angewandt, insbesondere bei Brennstoffzellenfahrzeugen, bei denen ein Druck von etwa 700 bar erreicht wird. Die Reichweite dieser Fahrzeuge ist vergleichbar mit der von Benzinautos. Allerdings erfordert die Kompression von Wasserstoff einen hohen Energieaufwand und es besteht immer das Risiko, dass Wasserstoff aufgrund kleiner Undichtigkeiten im Tank diffundiert, wenn er über längere Zeiträume gelagert wird. Allerdings ist diese Methode nicht zum Transport großer Mengen geeignet, da große Tanks diesen hohen Drücken nicht standhalten.
Neben der Speicherung in Tanks besteht auch die Möglichkeit, Wasserstoff in unterirdischen Kavernenspeichern wie Salzstöcken aufzubewahren. Dort kann Wasserstoff langfristig gelagert und bei Bedarf genutzt werden. Diese Technologie befindet sich noch in der Forschungsphase und es gibt einige Projekte, die untersuchen, ob die Anbindung solcher Wasserstoffspeicher an die Energiewirtschaft in Zukunft möglich ist.
Flüssiggasspeicherung
Die Flüssiggasspeicherung ist in der Industrie eine gängige Methode zur Speicherung von Wasserstoff. Dabei wird Wasserstoff bei minus 253 Grad Celsius in speziellen Kryotanks aufbewahrt. Die Aufrechterhaltung der niedrigen Temperatur ist von großer Bedeutung, da der Wasserstoff bei möglicher Erwärmung verdampfen und verloren gehen kann. Flüssiger Wasserstoff hat eine höhere Energiedichte als Wasserstoffgas bei Raumtemperatur und nimmt daher nur ein Fünftel seines Volumens ein. Die Flüssiggasspeicherung eignet sich nicht zum Transport großer Mengen über große Entfernungen, da über die Erwärmung zu viel Wasserstoff abgeblasen werden muss um ein Bersten der Tanks zu verhindern.
Flüssiger Wasserstoff kann relativ einfach transportiert werden und lässt sich in Tankwagen und Tankcontainern über Straßen, Schienen oder Wasserwege transportieren. Die Verflüssigung ist jedoch sehr energieaufwendig und der Umgang mit flüssigem Wasserstoff aufgrund der sehr niedrigen Temperaturen nicht ganz ungefährlich. Es sind spezielle Ausrüstungen und Schulungen erforderlich.
Flüssiger Wasserstoff wird in der Luft- und Raumfahrt als Treibstoff für Raketenantriebe und Triebwerke eingesetzt. Er findet auch in der Schwerindustrie als Brennstoff und als Alternative zu fossilen Brennstoffen Verwendung. In der Automobilindustrie kann flüssiger Wasserstoff als Treibstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge genutzt werden, wobei in der Praxis die Druckbetankung häufiger anzutreffen ist.
Chemische Speicherung von Wasserstoff: Innovative Alternativen im Fokus der Forschung
Es gibt eine alternative Methode zur Speicherung von Wasserstoff, bei der der Wasserstoff in andere Moleküle eingebunden wird, die bei Bedarf wieder in Wasserstoff umgewandelt werden können. Diese Methode hat im Allgemeinen eine höhere Energiedichte und kann potenziell sicherer sein als die gasförmige oder kryogene Speicherung. Allerdings kann die chemische Speicherung teurer sein und zusätzliche Infrastruktur erfordern. Derzeit werden folgende Möglichkeiten erforscht:
Ammoniak als vielversprechender Speicher- und Brennstoff: Flüssiges Produkt bietet flexible Anwendungsmöglichkeiten
Bei der Herstellung von Ammoniak (NH3) aus Stickstoff und Wasserstoff entsteht ein flüssiges Produkt, das bei Raumtemperatur in Tanks gespeichert und auch gut zum Transport über große Entfernungen geeignet ist. Durch einen Katalysator kann es bei Bedarf wieder in Wasserstoff und Stickstoff zerlegt werden. Ammoniak kann auch als chemischer Grundstoff, Schiffstreibstoff oder für die stationäre Stromerzeugung eingesetzt werden.
Methanol als Wasserstoffspeicher: Der Schlüssel zur Energieversorgung von morgen?
Auch Methanol (CH3OH) gilt als ein idealer Speicher für Wasserstoff, da es aus CO₂ und Wasserstoff hergestellt wird. Methanol lässt sich deutlich besser transportieren und vor allem lange aufbewahren. So ist es möglich, Wasserstoff aus Solaranlagen herzustellen, ihn dann in Methanol umzuwandeln und in Regionen zu bringen, wo der Energiebedarf nicht durch Sonnenenergie gedeckt werden kann.
CO₂-neutraler Wasserstoffspeicher aus Ameisensäure
Durch die Reaktion von Wasserstoff und Kohlendioxid lässt sich Ameisensäure (HCOOH) herstellen, die bei Raumtemperatur flüssig ist. Durch Katalyse kann sie in Wasserstoff und Kohlendioxid zurückverwandelt werden. Das CO₂ könnte in die Atmosphäre entweichen, ohne die Bilanz zu verschlechtern, weil es zuvor der Luft entzogen worden ist. Es könnte aber auch endgelagert und damit der Atmosphäre entzogen werden.
Hydrazin als Wasserstoffspeicher: Potenzielle Lösung oder zu gefährlich?
Hydrazin (N2H4) besteht aus Wasserstoff und Stickstoff und kann als Wasserstoffspeicher dienen. Es ist bei Raumtemperatur flüssig und kann durch katalytische Zersetzung in Wasserstoff und Stickstoff zurückverwandelt werden. Allerdings ist es hochgiftig und instabil, weshalb es selten als Wasserstoffspeicher genutzt wird. Es kommt vor allem als Raketentreibstoff zum Einsatz.
LOHC – flüssige organische Wasserstoffträger für sichern Transport
Flüssige organische Wasserstoffträger (LOHCs): Flüssige organische Wasserstoffträger sind eine innovative Möglichkeit, große Mengen Wasserstoff bei Umgebungsbedingungen sicher zu speichern. Durch die chemische Bindung von Wasserstoff an Trägermoleküle kann er in Form einer Flüssigkeit transportiert werden. Regenerativ erzeugter Wasserstoff kann unter Umgebungsdruck und -temperatur langfristig gespeichert werden.
Borverbindungen als alternative Wasserstoffspeicher: Hohe Speicherdichte und einfache Handhabung
Es gibt eine große Anzahl an wasserstoffreichen Verbindungen für das Element Bor. Borverbindungen wie Natriumborhydrid (NaBH4) oder Amminboran (NH3BH3) können als chemische Wasserstoffspeicher verwendet werden. Diese Festkörperverbindungen setzen Wasserstoff durch Hydrolyse oder thermische Zersetzung frei. Die Wasserstoffspeicherdichte von Amminboran ist zum Beispiel höher als die von flüssigem Wasserstoff.
Sicher und effizient: Wasserstoff-Speicherung mit Metallhydriden
Eine Möglichkeit, Wasserstoff zu speichern, besteht darin, ihn in Metallverbindungen einzubetten, anstatt ihn bei hohem Druck oder niedriger Temperatur zu lagern. Metallhydridspeicher haben eine relativ hohe Speicherdichte und erfordern keine speziellen Tanks oder aufwendige Kühlung. Allerdings sind sie vergleichsweise schwer und die Aufnahme und Freisetzung von Wasserstoff erfolgen langsam.
Metallhydride können Wasserstoff speichern, ähnlich wie ein Schwamm Wasser aufsaugt. Bestimmte Metalllegierungen absorbieren den Wasserstoff und es entstehen Metallhydride. Beim Befüllen der Metallhydride mit Wasserstoff wird Wärme freigesetzt, während zum Freisetzen von Wasserstoff Wärme zugeführt werden muss.
Die Metallhydridspeicherung gilt als sehr sicher und langlebig, da der Wasserstoff erst bei Wärmezufuhr freigesetzt wird und somit auch bei Beschädigung des Behälters gebunden bleibt. Ein explosionsartiges Entweichen des Wasserstoffs ist nicht möglich und er wird nahezu verlustfrei gespeichert. Diese Technologie wird bereits bei U-Booten eingesetzt, ist jedoch für andere Anwendungen aufgrund des Gewichts der Metallhydridspeicher noch nicht geeignet. Es wird jedoch an Massentauglichkeit geforscht.
Eine Möglichkeit zur Speicherung und zum Transport von Wasserstoff ist das Hydrogen Compact (HyCS) Verfahren auf Basis von Eisenoxid. Bei der Beladung des Speichers wird Eisenoxid durch Wasserstoff reduziert, wobei reines Eisen und heißer Wasserdampf entstehen. Durch das Zuführen von Wasserdampf oxidiert das Eisen zu Rost und Wasserstoff wird freigesetzt. Zwei Dresdner Unternehmen haben dieses Verfahren entwickelt und ein Liter Speichermaterial kann mehr als 2 kWh Wasserstoff speichern.
Adsorptive Speicherung mit Zeolithen und Carbon Nanotubes
Es gibt auch andere Optionen für die adsorptive Speicherung von Wasserstoff neben Metallhydridspeichern. Beispiele für mögliche Materialien sind Zeolithe, Aktivkohle, Metal Organic Frameworks oder Carbon Nanotubes. Diese Materialien sind hochporös und können Wasserstoff an sich binden. Die Bindung findet bei sehr niedrigen Temperaturen statt, da bei Raumtemperatur nur eine geringe Menge Wasserstoff adsorbiert werden kann.
Verluste während der Lagerung sind bei der adsorptiven Speicherung von Wasserstoff aufgrund der niedrigen Temperaturen ähnlich wie bei der Speicherung von Flüssigwasserstoff ein Problem. Um dieses zu umgehen, wird derzeit nach Materialien gesucht, die bei höheren Temperaturen eingesetzt werden können. Allerdings haben diese Materialien momentan noch eine deutlich niedrigere Energiedichte, so dass trotz höherer Wirkungsgrade die Verluste nach wie vor erheblich sind.
Die Suche nach der perfekten Wasserstoffspeicher für den Transport: Warum es keine universelle Lösung gibt
Die Speicherung von Wasserstoff ist ein Thema, das noch viele offene Fragen aufwirft. Es wird in vielen Bereichen noch intensiv geforscht und es gibt keine endgültige Lösung für die ideale Wasserstoffspeicherung. Es ist wahrscheinlich, dass es niemals eine alleinige Methode geben wird, die für jede Anwendung geeignet ist. Stattdessen wird sich je nach Einsatzbereich und -bedarf eine Methode als besser geeignet erweisen als andere.
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