h2facts - Teil 2

Im 2.Teil der Kampagne h2facts liegt der Fokus auf den Eigenschaften von Wasserstoff. Unter welchen Umständen wird Wasserstoff flüssig, gasförmig oder sogar fest? Und wie viel Energie kann Wasserstoff eigentlich speichern?

Gasförmig, flüssig, fest - Wasserstoff und seine Aggregatszustände

	Wasserstoff ist das leichteste chemische Element mit einer recht geringen Dichte im gasförmigen Zustand (0,07083 kg/m³ bei 0°C und atmosphärischem Druck) [1]. Zur Verbildlichung: Füllt man einen Würfel mit einer Kantenlänge von je einem Meter mit gasförmigen Wasserstoff, so wiegt dieser nur 70,83 g. 1 kg Wasserstoff würde den Platz von einem Würfel mit einer Kantenlänge von 2,4 Metern einnehmen. Da Wasserstoff recht viel Platz einnimmt, muss dieser beispielsweise verdichtet oder in flüssigem Zustand gespeichert werden. Hierfür ist jedoch einiges an Energie oder sehr niedrige Temperaturen notwendig.
	Denn um Wasserstoff zu verflüssigen, muss dieser auf -253°C abgekühlt werden. Bei dieser Temperatur kondensiert der gasförmige Wasserstoff zu einer Flüssigkeit. Durch die Verflüssigung von Wasserstoff kann mehr Energie in einem geringeren Volumen gespeichert werden. Wasserstoff siedet bei -252,879°C und schmilzt bei -259,16°C. Bei der Siedetemperatur kondensieren Gase zu Flüssigkeiten und bei der Schmelztemperatur erstarren Flüssigkeiten zu Feststoffen.
	Was hat der Planet Jupiter mit Wasserstoff gemeinsam? Die Rede ist immer von gasförmigem oder flüssigem Wasserstoff. Aber kann dieser auch in einem festen Zustand als Metall vorliegen? Theoretisch ja! Der Kern des Planeten Jupiter besteht zum Teil aus festem, metallischem Wasserstoff. Möglich wird das, weil dort sehr niedrige Temperaturen (unter -259°C) und ein sehr hoher Druck herrscht, sodass sich der Wasserstoff verfestigt. Auf der Erde ist dies momentan aber nur im Labor möglich und nicht für Wasserstoffanwendungen einsetzbar [1;2].

Wasserstoff als nachhaltiger Energiespeicher

Wie viel Energie kann Wasserstoff eigentlich speichern? Hierfür kann zwischen Energiedichte je Gewicht oder Volumen unterschieden werden. Der Energiegehalt je kg ändert sich leicht, je nach Zustand (flüssig, gasförmig oder gasförmig und komprimiert) des Wasserstoffs. Er beträgt 32,9 kWh/kg bei flüssigem Wasserstoff und ist verglichen mit gasförmigen H₂ bei 33,3 kWh/kg nur minimal geringer.

Wesentlich größer fallen die Unterschiede jedoch aus, wenn man den Energiegehalt in Relation zum Volumen betrachtet (kWh/m³). Verglichen mit anderen Energieträgern kann Wasserstoff hinsichtlich des Energiegehalts aufgrund seiner geringen Dichte schwerer mithalten.

Abbildung 1: Vergleich der Energiedichte zwischen verschiedenen Wasserstoffformen und Benzin (Quelle: [3;4], Eigene Darstellung, HySON Institut).

Bei der Betrachtung der Energie pro Volumen hat gasförmiger Wasserstoff einen Energieinhalt von lediglich 3 kWh/Nm³. Ein Normkubikmeter (Nm³) ist dabei ein Kubikmeter Gas bei einem Druck von 1 bar und 0°C.

Zum Vergleich: Benzin hat einen Energieinhalt von 8800 kWh/m³ [4], was mehr als dem 18-fachen von gasförmigen Wasserstoff entspricht. Somit ist ein viel größeres Volumen für Wasserstoff nötig, als für Benzin, Diesel und Kerosin, um die gleiche Energie zu speichern. Im Gegensatz zu anderen Energieträgern kann Wasserstoff jedoch klimaneutral hergestellt werden (siehe h2facts Teil 1).

Um größere Mengen Wasserstoff transportieren zu können, wird dieser daher z.B. im flüssigen Zustand gespeichert, da hier im gleichen Volumen die 3,8-fache Menge Energie im Vergleich zum Vorkommen als Gas gespeichert werden kann.

Eine andere Möglichkeit, das Volumen zu komprimieren, ist, den Wasserstoff unter Druck zu setzen. So kann mehr Energie pro Volumen gespeichert werden. Bei einem Transportdruck von 350 bar hat Wasserstoff einen Energieinhalt von 731 kWh/Nm³ speichern (siehe Abbildung 1).

Lesen Sie hier h2facts Teil 1: Was ist Wasserstoff? – Entdeckung, Erzeugung und CO₂-Austoß
Lesen Sie hier h2facts Teil 3: Speichermöglichkeiten von Wasserstoff

h2facts ist eine Kampagne des h2-well Innovationsmanagements.
Verfasser: Lea Mannsbart, Leonard Dette

Literatur:

[1] William M. Haynes, „CRC Handbook of Chemistry and Physics.", 97th Edition, 97. Aufl. CRC Press, 2016.
[2] Dirk Lorenz, „Jupiter und der metallische Wasserstoff.", Deutschlandfunk, 2020. [Online]. Verfügbar unter: https://www.deutschlandfunk.de/riesenplanet-in-opposition-jupiter-und-der-metallische-100.html (Zugegriffen: Februar 2022).
[3] Manfred Klell, Helmut Eichlseder, und Alexander Trattner, „Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik.", 4. Aufl. Springer Vieweg, 2018.
[4] Linde Gas GmbH, „Rechnen Sie mit Wasserstoff. Die Datentabelle.“, Linde Gas GmbH, Stadl-Paura, V 1.10, 2013. [Online]. Verfügbar unter: https://www.linde-gas.at/de/images/1007_rechnen_sie_mit_wasserstoff_v110_tcm550-169419.pdf (Zugegriffen: November 2021).