Dichte von Wasserstoff

Wasserstoff vereint einige bemerkenswerte Eigenschaften in sich. Beispielsweise kann er große Energiemengen speichern und hat einen Siedepunkt von bis zu -252,9 Grad Celsius. Außerdem unterscheidet sich die Dichte von Wasserstoff deutlich von den anderen Brennstoffen. Der Beitrag gibt Informationen zur Dichte von Wasserstoff (gasförmig und flüssig) und beschäftigt sich mit der Frage, was die Dichte von Wasserstoff im Vergleich zu anderen Energieträgern so einzigartig macht.

Was ist die Dichte von Wasserstoff?

Betrachtet man die Position von Wasserstoff im Periodensystem, steht es an erster Stelle. Es verfügt über lediglich ein Elektron in der Hülle, da es ein Element der ersten Periode ist. Abgesehen von seiner Dichte ist Wasserstoff den Alkalimetallen als auch den Halogenen in seinen Eigenschaften ähnlich. Außerdem ist es brennbar und kann weder der ersten noch der siebten Gruppe zugeordnet werden. Aufgrund seiner enorm niedrigen Dichte kommt Wasserstoff nur in Verbindungen natürlich vor, zum Beispiel als H²-Molekül. Das bekannteste Beispiel ist wohl Wasser – chemisch: H²O.^[1]

Wasserstoff ist das leichteste uns bekannte Gas des Universums. Er bringt es auf ein Gewicht von nur 0,0899 Gramm pro Liter. Damit ist Wasserstoff 14-mal leichter als Luft. Außerdem weist er eine besonders hohe gravimetrische Energiedichte (Energie pro Masse, z.B. Kilogramm) auf.

Die sogenannte volumetrische Dichte von Wasserstoff (Energie pro Menge, z.B. Kubikmeter) ist dagegen sehr niedrig. Der Energiegehalt pro Raumeinheit liegt deutlich niedriger als der vieler anderer Energieträger. Daraus folgt, dass die Speicherung von Wasserstoff unter atmosphärischen Druck- und Temperaturverhältnissen enorm viel Platz braucht.

Lösen kann man dieses Problem, indem man den Wasserstoff entweder komprimiert oder verflüssigt. Auf diese Weise lässt sich die niedrige volumetrische Dichte von Wasserstoff erhöhen und der Transport, die Lagerung und die Nutzung von Wasserstoff werden sehr viel einfacher.^[2]

Dichte Wasserstoff Druck:

Dichte von Wasserstoff unter verschiedenen Druckverhältnissen

Unter atmosphärischem Druck und Temperaturen beträgt die volumetrische Dichte von Wasserstoff in Gasform 0,09 kg/m³. Das bedeutet, dass viel Platz für die Speicherung des Gases benötigt wird – was in der Praxis einfach nicht effizient ist.

Doch welche Auswirkungen hat die niedrige volumetrische Wasserstoff-Dichte ganz praktisch? Und wie verändert sich die Dichte von Wasserstoff unter verschiedenen Druckverhältnissen? Dies lässt sich durch die entsprechenden Zahlen und einige Beispiele zum Thema ,,Dichte Wasserstoff Gas” verdeutlichen:

• Herrscht ein Druck von 350 bar, beläuft sich die volumetrische Dichte von Wasserstoff auf 21 kg/m³. Der erhöhte Druck ermöglicht es also, sehr viel mehr Wasserstoff in derselben Raumeinheit zu speichern. Einen Druck von 350 bar nutzen beispielsweise Logistikunternehmen in den Wasserstofftanks ihrer LKWs. Unter diesen Bedingungen benötigt ein voll beladener 55-Tonnen-LKW für eine Reichweite von 500 bis 600 Kilometern rund 50 bis 70 Kilogramm Wasserstoff. Die Dichte des Wasserstoffs bestimmt also unter verschiedenem Druck die Menge an Wasserstoff.

• Beläuft sich der Druck auf 700 bar, steigt die volumetrische Dichte von Wasserstoff in Gasform auf 42 kg/m³. Es handelt sich um einen vergleichsweise hohen Druck, der zum Beispiel bei Wasserstoff-PKWs zum Einsatz kommt. Ein Auto mit einem 125-Liter-Tank, der fünf Kilogramm Wasserstoff enthält, kann rund 600 Kilometer weit fahren.^[2]

Vergleich Dichte Wasserstoff:

Wie ist die Dichte von Wasserstoff im Vergleich zu herkömmlichen Kraftstoffen?

Die volumetrische Dichte von Wasserstoff ist im Vergleich zu anderen Kraftstoffen unschlagbar hoch. So enthält ein Kilogramm Wasserstoff fast dreimal soviel Energie wie ein Kilogramm Benzin. Die gravimetrische Dichte aber ist vergleichsweise niedrig. Das zeigt sich darin, dass ein Kubikmeter Benzin mehr als viermal so viel Energie enthält wie ein Kubikmeter Wasserstoff.

Weil die Lagerung von Wasserstoff unter atmosphärischen Bedingungen so ineffizient ist, wird die Substanz meist verflüssigt oder hohem Druck ausgesetzt. In der Folge rücken die Moleküle näher zusammen und die Energie pro Volumen erhöht sich.

Dichte Wasserstoff flüssig: In flüssigem Zustand und bei Temperaturen von -252,9 Grad Celsius kommt Wasserstoff auf eine volumetrische Dichte von 71 kg/m³. Aus diesem Grund ist flüssiger Wasserstoff für Anwendungen in Wirtschaft und Logistik so interessant und bietet viel Potenzial.

Um flüssigen Wasserstoff optimal zu nutzen, sind gut isolierte Infrastrukturen unerlässlich. So müssen Pipelines o.ä. mit einer Vakuumisolierung ausgestattet werden, die Energieverluste vermeidet und außerdem für die nötige Sicherheit sorgt.

Es gibt bereits Pläne, flüssigen Wasserstoff als Brennstoff für nachhaltige LKWs zu verwenden. Ein Vorteil für Flugzeuge ergibt sich aus der Tatsache, dass Wasserstoff als Energieträger viel leichter als Kerosin ist. Einziger Nachteil: Das Volumen flüssigen Wasserstoffs übersteigt das von Kerosin deutlich. Um die gleiche Energiemenge transportieren zu können, würde man daher viel mehr Platz brauchen.

Einige moderne Technologien versuchen, dieses Problem zu umgehen und Wasserstoff effizienter zu nutzen. Ein Beispiel ist die Brennstoffzellen-Technologie. Wasserstoff-Brennstoffzellen nutzen gasförmigen Wasserstoff in Kombination mit Sauerstoff, um Strom zu erzeugen. Die Effizienz bei diesem Verfahren ist um ein Vielfaches höher als zum Beispiel bei Benzinmotoren.^[2]

Optimale Dichte Wasserstoff:

Bei welchem Druck verhält sich Wasserstoff ideal?

Zur Speicherung gasförmigen Wasserstoffs ist keine Phasenumwandlung notwendig. Aus technologischer Perspektive ist die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff daher relativ einfach – im Grunde braucht man lediglich einen geeigneten Behälter.

Für die Speicherung stehen Drucktanks oder Druckgasflaschen zur Verfügung, die aus optimierten Materialien bestehen und sich daher für Drucke von mehreren Hundert bar eignen. Denn: Um in einem begrenzten Volumen große Mengen von Wasserstoff-Gas speichern zu können, wird das Gas in diesen Behältern auf einen hohen Druck komprimiert. Wichtig ist auch, dass die Tanks über spezielle Verschlüsse verfügen, die Energieverluste durch Diffusion vermeiden.^[3]

Wo Platz keine Rolle spielt, lässt sich Wasserstoff problemlos auch unter moderaten Druckverhältnissen speichern. Eine Möglichkeit wäre es zum Beispiel, in geologisch geeigneten Regionen unterirdische Speicher – in Anlehnung an die bekannten Erdgas-Speicher – zu bauen.

Allerdings hätten solche Speicher – auf das Volumen bezogen – nur recht geringe Speicherkapazitäten. Und auch bei hohem Druck ist die Dichte von Wasserstoff nicht allzu hoch. Mit einer Dichte von 42 kg/m3 bei einem Druck von 700 bar benötigt ein Kilogramm Wasserstoff immer noch ein Volumen von etwa 25 Litern. Hinzu kommt, dass ein Tank, der diesen Druck aushält, entsprechend stark (und schwer) ist.

Das Problem lässt sich anhand eines Beispiels veranschaulichen: Derzeit kann ein 40 Tonnen schwerer LKW nur etwa 400 Kilogramm komprimierten Wasserstoff transportieren. Da der Transportaufwand damit sehr viel höher wäre als der für flüssige Kraftstoffe, wäre die Belieferung von Wasserstoff-Tankstellen nicht allzu effizient.

Auch der Energieaufwand, der für die Kompression des Wasserstoffs (mit steigendem Druck) benötigt wird, stellt ein Problem dar. So müssen für die Kompression von 1 auf 800 bar rund 17 MJ/kg bereitgestellt werden. Dies entspricht etwa 12 Prozent des Brennwerts und 14 Prozent des Wasserstoff-Heizwerts.

Vorausgesetzt, dass der Wasserstoff flüssig ist und die Temperatur bei -252,9 Grad Celsius liegt, erreichen Tanks für flüssigen Wasserstoff eine höhere Speicherdichte. Unter diesen Bedingungen kommt Wasserstoff auf eine volumetrische Dichte von 71 kg/m³. Bezüglich des Heizwerts entspricht dies einer Dichte von Wasserstoff von nur 8,5 MJ/l. Dies wiederum entspricht weniger als einem Drittel des Werts für Benzin.

Das Problem bei dieser Vorgehensweise ist, dass der Energieaufwand für die Verflüssigung des Gases erheblich ist. Je nachdem, welche Technologie zum Einsatz kommt, beläuft sich die Energiemenge auf ein Fünftel bis ein Viertel des Heizwerts.

Hinzu kommt, dass eine Wärmedämmung nur mit einer bestimmten Dicke der Tankwand zu realisieren ist. Schließlich muss eine Temperatur von -253 Grad − nur 20 Kelvin über dem Temperaturnullpunkt − gehalten werden. Häufig kommt es zum sogenannten Boil-off: Es dringt ständig etwas Wärme ins Innere des Tanks, was zu einem stetigen Abdampfen führt. Lässt sich dies durch die Kühlung nicht verhindern, muss man dem Tank immer wieder eine kleine Menge Wasserstoff entnehmen. Das führt nicht nur dazu, dass sich der Tank − je nach Größe − innerhalb einer bestimmten Zeit komplett entleert, sondern auch dazu, dass der entnommene Wasserstoff ungefährlich entsorgt werden muss.^[3]

Weitere Speichermöglichkeiten für Wasserstoff:

• Salzkavernen: Es handelt sich um beim Salzabbau entstandene große Höhlen oder Hohlräume, die ähnliche Eigenschaften wie Drucktanks aufweisen. In einigen solcher Hohlräumen wird schon seit geraumer Zeit Erdgas gespeichert. Inwieweit sich Salzkavernen für die Speicherung von Wasserstoff in großen Volumen eignen, muss jedoch noch genauer untersucht werden.

• Tanks für transkritische Speicherung: Mit diesem Verfahren wird eine deutlich höhere Dichte des Wasserstoffs von bis zu etwa 100 kg/m3 möglich. Unter transkritischer Speicherung versteht man die Kombination aus einer niedrigen Temperatur von −220 Grad mit einem sehr hohen Druck von bis zu 1.000 bar. Es müssen also einige Anforderungen bezüglich der Wärmedämmung der Behälter und der Handhabung des hohen Drucks erfüllt sein.^[4]

Fazit zur Dichte von Wasserstoff

Wasserstoff hat eine extrem hohe gravimetrische Energiedichte, gleichzeitig aber eine sehr niedrige volumetrische Dichte. In beiderlei Hinsicht lässt sich die Dichte von Wasserstoff kaum mit der der meisten anderen Gase vergleichen. Mit diesen Eigenschaften hinsichtlich der Dichte ist Wasserstoff ein vielversprechender Energieträger, beispielsweise wenn man das Potenzial von Wasserstoff in Hinsicht der Brennstoffzellen- und Energielösungen bedenkt. Um Wasserstoff möglichst effizient zu nutzen, bedarf es aber aufgrund dieser Eigenschaften einer völlig anderen Infrastruktur als für den Einsatz anderer Brennstoffe und Energieträger. So erfordern die Speicherung und der Transport von Wasserstoff bei atmosphärischen Druck- und Temperaturverhältnissen, aber auch bei komprimiertem Druck und reduzierter Temperatur einen erheblichen Platzbedarf.