h2facts - Teil 3

Im 3. Teil der Kampagne h2facts liegt der Fokus auf den verschiedenen Speicherarten von Wasserstoff. Welche Speicherformen gibt es und wann ist welche Speicherform sinnvoll? Erfahren Sie mehr über diese Themen im 3. Teil von h2facts.

 

Wasserstoff - Vielfältige Speichermöglichkeiten

In Teil 2 von h2facts wurde bereits erklärt wie sich die Energiedichte von Wasserstoff im flüssigen und gasförmigen Zustand verhält. Die Energiedichte bei einem bar Druck ist so gering, dass die Speicherung bei diesem Druck nicht wirtschaftlich ist. Folglich ist es sinnvoll die Energiedichte zu erhöhen, indem mehr Wasserstoff im gleichen Volumen gespeichert werden kann. Die Energiedichte kann auf verschiedene Art und Weisen erhöht werden: Erhöhung des Drucks, Senkung der Temperatur, Umwandlung in andere chemische Verbindungen oder Einbindung in Wasserstoffträgermaterialien. Auch eine Kombination der verschiedenen Technologien ist möglich. Ein Beispiel hierfür ist die Speicherung von Wasserstoff bei niedrigen Temperaturen und erhöhtem Druck im gasförmigen Zustand.

Die Speicherung von Wasserstoff kann im gasförmigen Zustand in Druck- und Hochdruckbehältern stattfinden. Es können dabei die Behältertypen 1-4 unterschieden werden, wobei diese auf verschiedenen Materialien basieren. Typ 1 ist auf Drücke zwischen 45-350 bar ausgelegt [1]. Typ 2 Druckbehälter bestehen aus einer metallischen Wandung sowie einer harzgetränkten Glas- oder Kohlefaser und können dadurch Drücken von bis zu 1000 bar standhalten. Dadurch finden diese Typen beispielsweise als Speicherbehälter bei Wasserstofftankstellen Anwendung [2]. Für Busse und LKW sind Druckspeicher mit 350 oder 700 bar üblich [3], wofür häufig Drucktanks des Typ 3 eingesetzt werden. Der Behälter besteht dabei aus Metall und werden vollständig mit Kohlefasern ummantelt. Drucktanks des Typ 4 basieren auf demselben Prinzip, jedoch mit einem Kunststoff-Grundkörper. Mit diesen sind Drücke bis 700 bar möglich [2],[4]. Hochdruckbehälter sind für Drücke bis 1000 bar geeignet. Die Energiedichte beträgt dabei 60 % der Energiegedichte von Flüssigwasserstoff. Für die Befüllung der Druckbehälter wird der Wasserstoff zunächst in einem Hochdruck-Zwischenspeicher auf höhere Drücke verdichtet. Anschließend werden die Druckbehälter mit dem gewünschten Druck befüllt.

Zur Flüssigspeicherung muss Wasserstoff auf eine sehr niedrige Temperatur von -252,9 °C abgekühlt werden [5]. Dafür ist ein aufwändiger, mehrstufiger Prozess notwendig, in dem der Wasserstoff mit flüssigem Stickstoff vorgekühlt wird undanschließend mit sogenannten Expansionsturbinen auf die benötigte Temperatur abgekühlt wird. Die Speicherung erfolgt wärmeisoliert, um den Wasserstoff unterhalb der Siedetemperatur zu halten. Trotz der Isolierung kann die Temperatur nicht konstant bei -253 °C gehalten werden, weshalb täglich ungefähr 0,9 % des flüssigen Wasserstoffs verdampfen und aus dem Flüssigtank in Gasform abgelassen werden müssen, damit der Gasdruck nicht zu groß wird [6].

Ammoniak (NH3) hat ein hohes Potential, als Speichermedium von Wasserstoff zum Einsatz zu kommen. Schon bei ‑33,3 °C liegt dieser flüssig vor und hat dabei eine Energiedichte von 3,2 kWh/l. Somit ist die Energiedichte 33 % höher als bei Flüssigwasserstoff ist. Da Ammoniak auch in der chemischen Industrie eingesetzt wird, sind entsprechende Transportinfrastrukturen vorhanden. Ammoniak kann wahlweise direkt als Treibstoff eingesetzt werden oder wieder in Stickstoff und Wasserstoff aufgespalten werden. Aktuell wird Ammoniak für die Produktion von Düngern verwendet [3].

 

LOHC steht für „Liquid organic hydrogen carrier“, wobei es sich um organische Substanzen in flüssigem oder halbfestem Zustand handelt. LOHCs besitzen die Fähigkeit Wasserstoff mehrmals hintereinander einzuspeichern und auszuspeichern [7]. Die Hauptanwendung ist die zyklische be- und entladung mit Wasserstoff, wobei auch der Einsatz beladener LOHCs als Treibstoff aktuell utnersucht wird.

Es gibt bereits einige flüssige organische Wasserstoffträger wie z.B. Benzole, Toluene und Carbazole [7]. Weitere LOHCs werden weiterhin entwickelt.

Neben der gasförmigen und flüssigen Speichervariante kann Wasserstoff auch in Feststoffen gespeichert werden. Es gibt spezielle Metall-Wasserstoff-Verbindungen, sogenannte Metallhydride, die aus mindestens einem Metall und dem zu speichernden Wasserstoff bestehen. Diese Verbindungen haben teilweise eine höhere Energiedichte als Flüssigwasserstoff. Als Beispiel hat Magnesiumhydrid (MgH2) eine volumetrische Energiedichte von 1,6 kWh/l und Aluminiumhydrid (AlH3) eine Energiedichte von 5 kWh/l [8]. Der Wasserstoff kann durch Druckverringerung oder Temperaturerhöhung wieder freigesetzt werden. Die Speicherung von Wasserstoff in Hydriden befindet sich derzeit in Entwicklung und kann langfristig als Wasserstoff- und Wärmespeicher eingesetzt werden [9].

Die zuvor beschriebenen Speichermöglichkeiten setzen entweder einen hohen Energieverbrauch oder die Umwandlung in andere chemische Verbindungen voraus. Wasserstoff kann alternativ auch in großen Mengen gasförmig in nicht mehr benötigten Salzkavernen gespeichert werden [10]. Wenn z.B. durch Windkraft mehr Energie erzeugt wird als momentan benötigt, kann diese in Form von Wasserstoff in einer Kaverne eingespeichert werden. Dazu wird ein sogenanntes „Kissengas“ eingeleitet, das die Salzkaverne vor einem Einbruch schützt. Anschließend wird mit 150 bis 200 bar Druck der zu speichernde Wasserstoff Untertage gepumpt [11].

Lesen Sie hier h2facts Teil 2: Welche Eigenschaften hat Wasserstoff?
Lesen Sie hier h2facts Teil 4: Transport von Wasserstoff

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

Literatur:

[1]    Klaus Stolzenburg, „Speicheroptionen für Wasserstoff“, 2019. [Online]. Verfügbar unter: https://www.nports.de/media/Aktuelles-Presse/Pressemeldungen/2019/20191121_Netzwerktreffen/NPorts_Netzwerktreffen_Stolzenburg_Speicheroptionen_Wasserstoff.pdf (Zugegriffen: Januar 2022).
[2]    „Wasserstoffdruckbehälter: Welche Druckbehälter-Typen gibt es?“, EMCEL, 2020. [Online]. Verfügbar unter: https://emcel.com/de/wasserstoffdruckbehaelter/ (Zugegriffen: Januar 2022).
[3]    Jochen Fricke, „Ammoniak – ein idealer Wasserstoff-Speicher“, bayern-innovativ.de. [Online]. Verfügbar unter: https://www.bayern-innovativ.de/seite/ammoniak-wasserstoffspeicher (Zugegriffen: Januar 2022).
[4]    Frauke Finus und Eckert, Siegfried, „Druckbehälter mit Potenzial für die Zukunft“. https://www.maschinenmarkt.vogel.de/druckbehaelter-mit-potenzial-fuer-die-zukunft-a-455697/?p=2 (Zugegriffen: Januar 2022).
[5]    William M. Haynes, CRC Handbook of Chemistry and Physics, 97th Edition, 97. Aufl. CRC Press, 2016.
[6]    Manfred Klell, Helmut Eichlseder, und Alexander Trattner, Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik, 4. Aufl. Springer Vieweg, 2018.
[7]    Purna Chandra Rao, Minyoung Yoon, „Potential Liquid-Organic Hydrogen Carrier (LOHC) Systems: A Review on Recent Progress“, energies, Bd. 2020, Nr. 13, S. 23, 2020, doi:
10.3390/en13226040.

[8]    Sunita Satyapal, Carole Read, Grace Ordaz, und George Thomas, „Hydrogen Storage“, Washington DC, 2006.
[9]   P. Modi und K.-F. Aguey-Zinsou, „Room Temperature Metal Hydrides for Stationary and Heat Storage Applications: A Review“, Frontiers in Energy Research, Bd. 9, S. 128, 2021, doi: 10.3389/fenrg.2021.616115.
[10]   Erik Wolf, „Large-Scale Hydrogen Energy Storage“, Electrochemical Energy Storage for Renewable Sources and Grid Balancing, Nr. 2015, S. 129–149, 2015, doi: 10.1016/B978-0-444-62616-5.00009-7.
[11]   „Wasserstoffspeicherung in Salzkavernen“. [Online]. Verfügbar unter: https://www.neuman-esser.de/unternehmen/media/blog/wasserstoffspeicherung-in-salzkavernen/ (Zugegriffen: Januar 2022).

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