Wasserstoff / Brennstoffzellen
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Speicherung von Wasserstoff

Allgemeines
Wasserstoff dient als Speicher- und Transportmedium für Energie. Grundsätzlich gibt es drei verschiedene Wege, Wasserstoff zu speichern:

  • die Druckspeicherung
  • die Speicherung von flüssigem Wasserstoff
  • Absorptionsspeicher
Alle drei Speichermethoden haben ihre Vor- und Nachteile, die sie jeweils für unterschiedliche Aufgaben qualifizieren.

  • Druckspeicherung
    Die Druckgasspeicherung
    Von Druckspeicherung spricht man immer dann, wenn ein Gas unter einem höheren Druck als dem Normaldruck gespeichert wird. Tanks für die Druckspeicherung unterscheiden sich im Aufbau je nach Einsatzgebiet und dem dort erforderlichen Druckniveau. Bei stationären Behältern spielt das Volumen meist weniger eine entscheidende Rolle. Im mobilen Einsatz, etwa in einem Kraftfahrzeug, gibt es allerdings wenig Platz und zusätzlich muss der Speicher leicht sein. Derzeit werden Drucktanks von den meisten Autoherstellern bevorzugt, das Druckniveau beträgt bis zu 70 MPa (700 bar). Bei diesem Druckniveau lassen sich mit Brennstoffzellenfahrzeugen bereits heute Reichweiten vergleichbar mit Benzinfahrzeugen realisieren.
    Moderne Druckspeicher sind aus Verbundmaterialien (dünne Innenbehälter aus Aluminium oder Polyethylen, die außen mit Kohle- bzw. Glasfaser verstärkt sind). Diese Konstruktionenn sind sehr viel leichter als Stahlflaschen.
    Große Mengen Wasserstoff für die Energiewirtschaft können zukünftig in unterirdischen Kavernenspeichern eingelagert werden. Dort kann der Wasserstoff unter bis zu 5 MPa (50 bar) Druck gespeichert werden. In den USA und in Frankreich wird dieses Verfahren bereits angewendet. Bei uns in Deutschland lagert Erdgas in solchen Kavernen. Man könnte sie zukünftig für die Wasserstoffspeicherung nutzen.


  • Flüssige Speicher
    Flüssiggasspeicherung
    Die höchste Speicherdichte bezogen auf das reine Speichervolumen hat Wasserstoff, wenn er vor der Speicherung verflüssigt wird. Flüssig wird Wasserstoff bei -253 Grad Celsius.
    Kryotanks, so nennt man Tanks für flüssig, tiefkalte Gase, haben heute sehr hohe Isolationseigenschaften, wodurch die Verluste durch Erwärmung (Abdampfverluste) gering gehalten werden. Die Speicherung von Wasserstoff in flüssiger Form bietet sich für Fahrzeuge an, da der Energieinhalt von Flüssigwasserstoff, bezogen auf das Gewicht, der größte überhaupt mögliche ist. Darum wird in der Raumfahrt Flüssigwasserstoff als Raketentreibstoff verwendet. Den günstigen Gewichtswerten steht ein ungünstiger Volumenwert gegenüber, vor allem da der Tank sehr gut isoliert sein muss. In der Praxis hat Flüssigwasserstoff gegenüber der Druckvariante aber auch Nachteile. So lassen sich bei längeren Standzeiten von Fahrzeugen Abdampfverluste nicht vollständig vermeiden.
    Stationäre Speicher für flüssig tiefkalten Wasserstoff wird man einsetzen, wenn der Wasserstoff entweder flüssig benötigt wird oder wenn er aus Platzgründen per LKW angeliefert werden muss. Er kann dann an der Tankstelle zu gasförmigem Wasserstoff verdampft werden. Grundsätzlich ist der Energieaufwand zur Bereitstellung von Flüssigwasserstoff etwas höher als bei Druckwasserstoff. Allerdings ist eine Anlieferung von Druckwasserstoff per LKW nur bei sehr kurzen Entfernungen sinnvoll. Eine Alternative ist, dass der Wasserstoff direkt an der Tankstelle erzeugt wird.


  • Andere Speicher
    Metallhydridspeicher
    In dieser Speichertechnologie nutzt man bestimmte Metalllegierungen, die Wasserstoff speichern. Dies kann man sich vorstellen wie einen Schwamm, der sich voll Wasser saugt. Dabei wird der Wasserstoff vom Metall adsorbiert und es bilden sich Metallhydride.
    Wird ein Metallhydrid mit Wasserstoff "gefüllt", gibt er Wärme ab. Möchte man den Wasserstoff wieder zurück haben, muss man Wärme zuführen.
    Bezogen auf das Volumen ergeben sich bei Metallhydridspeichern sehr gute Werte für die Speicherkapazität. Leider sind die Speicher vergleichsweise schwer, so dass man auf ihren Einsatz für die mobile Anwendung derzeit absieht. Zudem sind diese Speicher auf Grund der hohen Materialkosten vergleichsweise teuer.
    Metallhydridspeicher haben deutliche Vorteile in Handhabung und Sicherheit. Sie arbeiten fast bei Normaldruck, zeigen keine Abdampfverluste und haben außerdem eine reinigende Wirkung für den Wasserstoff. Der Wasserstoff wird durch Wärme freigesetzt, dadurch bleibt der Wasserstoff bei Beschädigung des Speichers gebunden.
    Kommerziell eingesetzt werden diese Speicher heute z.B. in U-Booten.
    Adsorptionsspeicher
    Neben Druck- und Flüssiggasspeichern gibt es noch andere Methoden für die Speicherung von Wasserstoff. Materialien mit großer innerer Oberfläche und geeigneter Porengröße haben die Eigenschaft, bestimmte Gase bevorzugt anzulagern oder den Ablauf chemischer Reaktionen zu beschleunigen. Daher werden diese bevorzugt zur Gasreinigung, aber auch als Katalysator Material verwendet. Poröser Kohlenstoff aber auch Zeolithe sind seit langem bekannte Materialien mit geeigneten Eigenschaften.
    Erst in jüngerer Zeit wurde durch die gezielte Kombination organischer und anorganischer Bausteine eine neue Materialklasse, sog. Koordinationspolymere, synthetisiert, die es erlaubt innere Oberfläche und Porosität gezielt zu beeinflussen. Koordinationspolymere erreichen innere Oberflächen von teilweise weit über 3000 m²/g. Daher wird Ihnen auch ein Potenzial zur Gasspeicherung, insbesondere Kohlendioxid, Methan oder Wasserstoff, zugeschrieben und teilweise auch beobachtet. Bei kryogenen Temperaturen und Drücken bis zu 90 bar wurde an den besten Materialien (speziellen sogenannten Metal-Organic Frameworks oder kurz MOF) im Labor eine reversible Wasserstoffspeicherfähigkeit um die 10 Gewichtsprozent und eine Volumenspeicherfähigkeit bis zu 50 g/Liter gemessen. Bis heute gibt es allerdings kein funktionierendes Speichersystem aus diesen Materialien, das Speichereigenschaften besser als aktiver poröser Kohlenstoff aufweisen würde. Die Operationsdynamik über einen weiten Druck- und Temperaturbereich erfordert ein komplexes Speichermangement (z.B. Abwärme beim Betanken), das heute erst in Ansätzen entwickelt wird.
    Aus heutiger Sicht eröffnet die Synthese neuer Materialien die Möglichkeit, für eine Wasserstoffspeicherung besser geeignete und kostengünstige Materialien zu entwickeln Allerdings ist noch nicht absehbar, dass aus diesen Bemühungen auch ein Speichersystem entwickelt werden kann, dass den im Alltag erforderlichen Ansprüchen gerecht wird, und den oben skizzierten konventionellen Möglichkeiten überlegen ist.