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23.11.2021 | Funktionswerkstoffe | Kompakt erklärt | Onlineartikel

Wasserstoffspeicherung auf vielen Wegen möglich

Autor:
Frank Urbansky
4 Min. Lesedauer

Wasserstoff hat eine starke Diffusionsneigung und lässt sich schwer speichern. Dennoch gibt es Technologien, die das können – direkt oder mit Hilfe chemischer oder physikalischer Vorgänge.

Die direkte Speicherung von Wasserstoff, der als grüne Variante eines der Schlüsselelemente der Energiewende – vor allem für die stoffliche und energetische Nutzung in der Industrie und Logistik – benötig wird, ist außerordentlich aufwendig. „Bei der kryogenen Wasserstoffspeicherung bei minus 253 °C, muss aber der gesamte Tank und das Wasserstoff-Einspritzsystem, vom Tank über Leitungen bis zu den Einspritzdüsen, thermisch isoliert werden, um eine Phasenänderung von Flüssigkeit zu Gas zu vermeiden“, beschreibt Springer-Autor Cornel Stan in seinem Buchkapitel Der energetische Wasserkreislauf: Natur – Elektrolyse – Maschine – Natur auf Seite 152 die Schwierigkeiten bei einer direkten Nutzung.

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2021 | OriginalPaper | Buchkapitel

Der energetische Wasserkreislauf: Natur – Elektrolyse – Maschine –Natur

Faszinierend! Das Wasser wird den ganzen Energiehunger dieser Welt, in diesem Fall, besser gesagt, den Energiedurst stillen! Aus dem Wasser kann man Wasserstoff gewinnen. Wenn man nur Wasserstoff sagt oder denkt riecht es schon nach Zukunft, am …

Bisher sind Formen der Wasserstoffspeicherung, die auf Kompression oder eben Kühlung setzen, am weitesten verbreitet.

Direkte Speicherung von Wasserstoff

In Hochdruckspeichern wird etwa komprimierter Wasserstoff bei 700 bar gelagert und transportiert. An H2-Tankstellen wird Wasserstoff mit diesem Druckniveau auch an Brennstoffzellen-Pkw abgegeben. Für Brennstoffzellen-Lkw kommen 350 bar zur Anwendung. Alle verwendeten Tanks sind sehr druckstabil und technisch eher nicht aufwendig.

Bei normalem Atmosphärendruck könnte Wasserstoff sogar in reinen Stahltanks, etwa für die Wasserspeicherung, ohne besondere Druckfeste gelagert werden. Allerdings ist die Energiedichte dieses „normalen“ Wasserstoffs dann auch extrem gering und für kaum eine Anwendung geeignet.

Ist der Wasserstoff, wie eingangs beschrieben, erst einmal verflüssigt, kann er auch in Flüssiggasspeichern gelagert werden. Die Energiedichte ist extrem hoch, die nötigen Drücke eher gering. Allerdings bedürfen diese Tanks einer kontinuierlichen Kühlung auf -253 °C, was wiederum energetisch und technisch aufwendig ist.

Eine Kombination aus diesen beiden Varianten ist der Kryo-komprimierte Wasserstoff. Hier werden Drucktanks genutzt, um komprimierten und gekühlten Wasserstoff bei etwa -223 °C zu lagern. Die dadurch noch höhere mögliche Energiedichte geht aber zu Lasten eines höheren energetischen und technischen Aufwandes.

Materialgebundene Speicherung von Wasserstoff

Die Suche von Technikern und Wissenschaftlern richtet sich deshalb auch auf Stoffe, die den Wasserstoff quasi im Huckepack während Speicherung und Transport mitnehmen. Am Verbrauchsort wird dieser dann von den Trägermaterialien wieder separiert. Für diese materialgebundene Speicherung von Wasserstoff gibt es gleich mehrere Möglichkeiten.

Eine Möglichkeit sind flüssige organische Substanzen, LOHC (für Liquid Organic Hydrogen Carrier) genannt. Dafür eignen sich N-Ethylcarbazol, Benzyltoluol oder Dibenzyltoluol. Der Wasserstoff wird hier mit Drücken von 20 bis 50 bar und Temperaturen von 150 bis 200 °C an das LOHC aufgebracht. Für die Nutzung erfolgt eine Dehydrierung bei 270 bis 310 °C. Diese Technologie gilt als gut händelbar und wird am Markt auch schon angeboten.

Ammoniak ist als Transportmittel für Wasserstoff schon gut erprobt und wird auch als solches eingesetzt. Allerdings wird dafür der Ammoniak gleich direkt produziert und am Ort des Verbrauchs in Stickstoff und Wasserstoff aufgespalten.

Aktivkohle kommt aufgrund ihrer porösen Struktur und der damit einhergehenden guten adsorptiven, also „aufsaugenden“ Eigenschaften ebenfalls in Frage. Bei relativ niedrigen Temperaturen von 200 °C kann Wasserstoff hier eingelagert werden. Allerdings ist dafür eine Kühlung nötig, was dieses Verfahrens weniger effizient macht.

Tone und Zeolithe gelten wegen ihrer thermischen Stabilität und Ungiftigkeit ebenfalls zu möglichen Trägermaterialien. Allerdings ermöglichen sie nur eine geringe Energiedichte bei der Speicherung. Die Einlagerung des Wasserstoffs würde bei Zeolithen bei niedriger Temperatur erfolgen, bei einer Temperaturerhöhung würde er wieder abgegeben – ohne eine chemische Reaktion.

In Metallhydridspeichern reagiert der Wasserstoff hingegen zu einem Metallhydrid bei einer exothermischen Reaktion. Dabei wird Wärme abgegeben, die aufgefangen und später bei der endothermen Reaktion der Dehydrierung des Wasserstoffs aus dem Metallhydrid wieder genutzt werden kann. Infrage kommen dafür Alkali- und Erdalkalimetalle wie Natrium und Lithium oder Magnesium. Allerdings ist diese Technologie von einer Marktreife weit entfernt.

Ebenfalls auf Metallen beruht die Technologie des metallorganischen Gerüstes. Da die verwendeten Materialien ebenso wie Aktivkohle sehr porös sind, wird auch deren Adsorptionsfähigkeit genutzt. Erforscht wird dies etwa bei Kupferphthalocyanin. Doch auch hier ist für die Speicherung eine Kühlung und somit niedrige Temperaturen von gut -173 °C nötig.

Seitens der Gasindustrie wird auch überlegt und im Rahmen des HYPOS-Projektes erforscht, den Wasserstoff einfach dem Erdgas im bereits vorhandenen Gasnetz beizumischen. „Neben den beschriebenen Speicheroptionen besteht auch die Möglichkeit, Wasserstoff anteilig dem Erdgas im Erdgasnetz beizumischen, […] zu speichern und dann – ebenfalls in Kombination mit Erdgas – energetisch zu nutzen“, beschreibt ein Springer-Vieweg-Autorenkollektiv um Jerrit Hilgedieck in seinem Buchkapitel Speicher auf Seite 1144 diese eher unspektakuläre und unaufwändige Variante des Wasserstofftransports.

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