Wasserstoffspeicherung einfach erklärt
Wasserstoff (H2) ist das am häufigsten vorkommende chemische Element im Universum. Das ist großartig, denn Wasserstoff ist das Mittel der Wahl für eine erfolgreiche Finalisierung der Energiewende. Als Betriebsstoff bietet er das Versprechen auf eine emissionsarme und nachhaltige Stromversorgung – von der Produktion bis zur Anwendung. Ein Kilo Wasserstoff enthält fast so viel Energie wie drei Kilo Benzin.[1] Er ist als Betriebsstoff weitaus effizienter und die Umwandlung in Strom kommt ohne umweltschädliche Emissionen aus. Das sind deutliche Vorteile gegenüber fossilen Brennstoffen wie Benzin und Diesel. Weniger großartig: Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses Gas und damit sehr flüchtig. Wasserstoff zu speichern, stellt Industrie und Verbraucher daher vor große Herausforderungen. Die Wasserstoffspeicherung ist allerdings wie die zugehörige Brennstoffzellen-Technologie mit Wasserstoff-Brennstoffzellen und Direktmethanol-Brennstoffzellen ein Kernelement auf dem Weg in eine Wasserstoff-Wirtschaft.
Bis zum Jahr 2030 will die EU die Treibhausgasemissionen um 55 Prozent reduzieren.[2] Das ist ein ambitioniertes Ziel. Erreichen lässt es sich nur, wenn die Stromversorgung neu gedacht wird. Neu bedeutet vor allem klimaneutral. Wasserstoff hergestellt mit Strom aus regenerativen Quellen – sogenannter grüner Wasserstoff – wie Wind, Wasser und Sonnenenergie bietet diese Möglichkeit. Vorteilhaft ist vor allem seine Speicherfähigkeit. So kann er dorthin transportiert werden, wo er gebraucht wird: bei den Anwender*innen. Die Wasserstoffspeicherung umfasst die Einspeicherung, die Lagerung und die Ausspeicherung. In seiner Funktion als Energieträger der Zukunft lässt sich H2 vergleichsweise einfach speichern. Hierbei kommen unterschiedliche Verfahren und Prozesse zum Einsatz. So lässt sich Wasserstoff flüssig speichern, gasförmig in einem Druckgasspeicher bzw. Druckspeicher oder als Einlagerung in Metallen auf molekularer Ebene.[3] Weit verbreitet ist die flüssige Form der Wasserstoffspeicherung vor allem für Fahrzeuge. H2 weist die höchste Speicherdichte auf, wenn er verflüssigt wird. Das geschieht bei einer Temperatur von -253°C.[4]
Die Wasserstoffspeicherung im Kryotank
Nach der Verflüssigung geht es im nächsten Schritt der Wasserstoffspeicherung für das Gas in einen sogenannten Kryotank. Er weist beste Isolationseigenschaften auf, damit die Temperatur möglichst konstant gehalten werden kann. Steigt sie, verdampft das Gas. Experten sprechen in diesem Zusammenhang bei der Wasserstoffspeicherung von Abdampfverlusten. Wie erwähnt, ist diese Form der Wasserstoffspeicherung im Fahrzeugbereich beliebt. Als besonders vorteilhaft erweist sich nämlich der Energiegehalt von Flüssigwasserstoff im Verhältnis zum Gewicht. Daher kommt Flüssigwasserstoff in der Raumfahrt als Raketentreibstoff zum Einsatz.[5] Dem Gewichtsvorteil steht jedoch auch ein Nachteil gegenüber. Bei längeren Standzeiten von Wasserstoff betriebenen Fahrzeugen lassen sich die genannten Abdampfverluste nicht immer vermeiden. Wird flüssiger H2 benötigt, greift man in der Industrie auf stationäre Lösungen der Wasserstoffspeicherung für tiefkalten Wasserstoff zurück. Auch dann, wenn aus Platzgründen eine Anlieferung mit dem Lkw bevorzugt wird. An einer Tankstelle kann der flüssige Wasserstoff wieder in gasförmigen überführt werden. Als Druckwasserstoff ist eine Anlieferung per Lkw nur sinnvoll, wenn lediglich kurze Strecken überbrückt werden müssen.
Und was ist Druckwasserstoff? Hierbei handelt es sich um eine weitere Form der Wasserstoffspeicherung. Es ist ganz einfach. Von Druckspeicherung ist immer dann die Rede, wenn Gas unter einem höheren Druck als dem üblichen gespeichert wird. Der Wasserstoff-Druckbehälter, der zur Wasserstoffspeicherung verwendet wird, unterscheidet sich dabei nach Verwendungszweck und dem Druckniveau. Zum Beispiel macht es einen Unterschied, ob der Tank stationär verwendet wird oder mobil zum Einsatz kommt. Verbaut in einem Pkw oder Lkw sollte er möglichst wenig Platz einnehmen, leicht sein, aber trotzdem volle Leistung bringen. Bei der Wasserstoffspeicherung ist das eine besonders große Herausforderung. Automobilhersteller bevorzugen Drucktanks aus Verbundmaterialien wie Aluminium oder Polyethylen zur Wasserstoffspeicherung. Das dünne Material muss einem Druckniveau von bis zu 70 MPa (700 bar)[6] standhalten. Seit Ende der 1990er Jahr arbeiten Wissenschaftler an Wasserstoff-Feststoffspeichern, die noch mehr Wasserstoff auf weniger Raum speichern können.[7]
Alternative Speichermethoden
Neben den gängigen Methoden zur Wasserstoffspeicherung gibt es weitere Alternativen. Zum Beispiel lassen sich einige Metalllegierungen verwenden. Der Vorgang zur Wasserstoffspeicherung gleicht dem bei einem Schwamm, der Wasser aufnimmt. Metallhydridspeicher sind prinzipiell chemische Verbindungen, die den Wasserstoff in einem Metallgitter einlagern. H2 wird vom Metall adsorbiert, es bilden sich Metallhydride. Diese haben die Eigenschaft, Wärme abzugeben, wenn sie bei der Wasserstoffspeicherung gefüllt werden. Wird nun der Wasserstoff benötigt, müssen Anwender*innen den umgekehrten Weg gehen. Durch Zuführung von Wärme gibt der Speicher H2 wieder frei.[8] Vorteilhaft bei dieser Art der Wasserstoffspeicherung sind das hohe Speichervolumen und die geringen Abdampfverluste. Nachteilig erweist sich das hohe Gewicht. Für mobile Anwendungen im Fahrzeugbereich sind Metallhydridspeicher daher ungeeignet. Zudem sind sie aufgrund der hohen Materialkosten vergleichsweise teuer. Typische Anwendungsbereiche dieser Art der Wasserstoffspeicherung sind U-Boote. Im Jahr 2002 ging das erste U-Boot mit einem diesel-elektrischen Antrieb und Brennstoffzelle an Bord zu Wasser.[9]
Damit sind die Möglichkeiten noch längst nicht erschöpft. Selbst die Wasserstoffspeicherung in Öl ist möglich. Hierbei handelt es sich um sogenannte Liquid Organic Hydrogen Carrierers (LOHC), also flüssige organische Wasserstoff-Träger, die die Wasserstoffspeicherung ermöglichen. Katalysatoren sind darüber hinaus notwendig, um den Wasserstoff ans Öl zu binden beziehungsweise ihn wieder frei zu setzen. Genauso wie bei den anderen Verfahren zur Wasserstoffspeicherung gibt es Vor- und Nachteile. Die Speicherdichte beim LOHC-basierten Speicherverfahren ist etwa fünfmal höher als bei Drucktanks. Für gewöhnlich braucht es, um ein Kilogramm Wasserstoff zu speichern, eine Flasche, die so groß ist wie ein Mensch. Die LOHC-Technologie ist in diesem Bereich effizienter. Ihr genügt ein tragbarer 20-Liter-Kanister zur Wasserstoffspeicherung.[10] Problematisch ist allerdings der hohe Energieverbrauch, wenn der gespeicherte Wasserstoff wieder freigesetzt werden muss. Derzeit arbeiten Wissenschaftler daran, die Technologie effizienter aufzustellen. Egal, welche Methode der Wasserstoffspeicherung sich am Ende als die effizienteste erweist, in Verbindung mit Wasserstoff-Brennstoffzellen von SFC Energy als dezentrale und leistungsfähige Wandlertechnologie bildet sie ein kraftvolles Duo für eine umweltfreundliche Energieversorgung.
