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Wasserstoffspeicherung im Portrait

Wasserstoff optimal zu speichern und transportfähig zu machen ist eine der großen Herausforderungen der Wasserstoffwirtschaft. Wasserstoff ist ein vielseitiger Energieträger, der mittels Elektrolyse und durch Spaltung von Wasser aus erneuerbaren Energien gewonnen werden kann. Sein großer Vorteil gegenüber Windkraft und Solarenergie ist, dass Wasserstoff langfristig gelagert und jederzeit durch umgekehrte Elektrolyse erneut in Energie umgewandelt werden kann. Diese Speicherfähigkeit macht Wasserstoff zu einem Hoffnungsträger im Bereich des Klimaschutzes und der langfristigen Nutzung erneuerbarer Energien.

Im Hinblick auf Speicherdichte, Gewicht und Transportfähigkeit steht die Wasserstoffspeicherung jedoch auch vor Herausforderungen. Welche Speichermöglichkeiten es für Wasserstoff gibt, welche Herausforderungen sich ergeben und an welchem spannenden Forschungsprojekt EWE arbeitet, erfahren Sie hier. 

Was ist Wasserstoffspeicherung?

Wasserstoffspeicherung umfasst die lang- oder kurzfristige Lagerung von Wasserstoff, um das Element für die Energiewirtschaft bereitzuhalten. Dies kann in großen Mengen geschehen, die darauf warten, bei Bedarf in Energie umgewandelt zu werden und ein lokales Stromnetz oder eine Industriefabrik zu speisen. Aber auch kleinere Mengen müssen gespeichert und dadurch transportfähig gemacht werden, um den Wasserstoff an anderer Stelle für verschiedene Anwendungen wieder einzusetzen oder um ihn beispielsweise im Tank eines Fahrzeugs einer Brennstoffzelle zuzuführen. 

Arten der Speicherung im Portrait

Druckgasspeicherung

Bei der Druckgasspeicherung wird Wasserstoff unter sehr hohem Druck verdichtet und in Drucktanks gespeichert. Solche Hochdruckspeicher eignen sich vor allem für kleine Speichermengen und werden daher häufig in Fahrzeugen wie LKW oder Autos verwendet. Je höher der Druck ist, desto größer ist die erreichte Speicherdichte. Bei Autos wird ein Druckniveau von ungefähr 700 bar erreicht und die Reichweite dieser mit Wasserstoff und Brennstoffzelle betriebenen Fahrzeuge ist mit der von Benzinautos vergleichbar. 

Ebenfalls in gasförmigem Zustand wird Wasserstoff in großen Mengen in unterirdischen Kavernenspeichern, beispielsweise in Salzstöcken, gespeichert. In diesen Anlagen kann der Wasserstoff langfristig verbleiben und bei Bedarf weiterverwendet werden. Derzeit finden einige Forschungsprojekte statt, die herausfinden wollen, ob die Anbindung solcher Wasserstoffspeicher an die Energiewirtschaft in Zukunft möglich ist. 

Flüssiggasspeicherung

Die Methode der Flüssiggasspeicherung sieht eine Verflüssigung des Wasserstoffs durch Herunterkühlen vor. Dabei wird der Wasserstoff bei -253 °C in Kryotanks gespeichert. Bei möglicher Erwärmung kann der Wasserstoff abdampfen und verloren gehen. Die Kryospeicher besitzen jedoch eine so gute Isolation, dass dies kaum vorkommt. 

Der große Vorteil von verflüssigtem Wasserstoff ist, dass er nur ein Fünftel des Volumens von gasförmigem Wasserstoff besitzt. Daher eignen sich Flüssiggasspeicher ideal für den Transport über große Distanzen, beispielsweise in LKW. Im Vergleich zu anderen Speicher-Methoden verfügt flüssiger Wasserstoff zudem über eine sehr große Speicherdichte und wird daher unter anderem in der Raumfahrt als Raketentreibstoff genutzt. Ein Nachteil ist allerdings, dass für das Herunterkühlen des Wasserstoffs auf -253 °C ungefähr ein Drittel der letztendlich gespeicherten Energie vonnöten ist.

Adsorptionsspeicher

Bestimmte Materialien, beispielsweise Kohlenstoff, haben aufgrund ihrer Porengröße die Fähigkeit, Wasserstoff an ihrer Oberfläche zu adsorbieren. Bei Kontakt mit der Oberfläche des Feststoffs zerfallen die Wasserstoffmoleküle in ihren atomaren Zustand und dringen in die Oberfläche des Materials ein. Dieses Verfahren kann zur Gasreinigung sowie zum Speichern und zum Transport des Wasserstoffs genutzt werden.

Materialien, die sich gut als Wasserstoffträger und Adsorptionsspeicher eignen, sind Zeolithe, Kohlenstoff oder bestimmte Metalle und Metalllegierungen. Wird Wasserstoff von einem Metall adsorbiert, bilden sich sogenannte Metallhydride. Um den adsorbierten Wasserstoff wieder aus dem Kohlenstoff- oder Metallhydrid-Speicher zurückzugewinnen, muss Wärme zugeführt werden. Der Nachteil dieser Speicher-Methode ist das große Gewicht der Adsorptionsspeicher. Heutzutage werden diese zumeist für Spezialanwendungen, beispielsweise in U-Booten, verwendet. 

Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC)

Bei einem Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC), also einem flüssigen organischen Wasserstoffträger, handelt es sich um eine Flüssigkeit, die Wasserstoff anlagern und als Katalysator chemische Reaktionen beschleunigen kann. Dies kann zum Beispiel ein Öl sein, in dem der Wasserstoff langfristig gespeichert und per Schiff, Zug oder LKW in großen Mengen transportiert werden kann. Bei Bedarf kann der Wasserstoff anschließend wieder vom Trägermedium getrennt und mit einer Brennstoffzelle in Energie verwandelt werden.

Ziele und Herausforderungen von Wasserstoffspeicherung

Ziele

Das Speichern von Wasserstoff hat zum Ziel, Wasserstoff in großen Mengen für verschiedenste Anwendungen bereitzuhalten. Ein großes Anliegen ist die Rückverstromung erneuerbarer Energien. Da diese im Falle einer Überproduktion nicht gespeichert werden können, ermöglicht eine Umwandlung per Elektrolyse in Wasserstoff dennoch eine indirekte Speicherung. In Zeiten von niedriger Stromproduktion, beispielsweise im Winter oder bei Windstille, kann der gespeicherte Wasserstoff in Energie zurückverwandelt und ins Stromnetz gespeist werden. Ebenso können mit Wasserstoff große Fabriken, die bislang Erdgas oder Kohle nutzen, sowie Fahrzeuge wie Autos, LKW, Schiffe und sogar Raketen angetrieben werden. 

Herausforderungen

Herausforderungen in der Wasserstoffspeicherung liegen darin, die Speicherung so energieeffizient wie möglich und an geeigneten Orten durchzuführen. Für die Lagerung riesiger Mengen von Wasserstoff in unterirdischen Kavernenspeichern müssen geeignete Speicherorte und -anlagen identifiziert und bereitgestellt werden. Zudem ist für die flächendeckende Nutzung von Wasserstoff ein Netz an Leitungen und Anschlussstellen vonnöten. Die Verwendung der bereits bestehenden Erdgas-Infrastruktur mit Leitungen und Kavernenspeichern könnte hier eine Lösung darstellen.

Des Weiteren geht bei der Speicherung, beispielsweise durch das Herunterkühlen in den flüssigen Zustand oder die Katalysatoren bei Adsorption, viel Energie verloren. Für die gasförmige Speicherung in Drucktanks wird viel Druck benötigt und Metallhydrid-Speicher haben ein sehr großes Gewicht, das den Transport erschwert.

 

Wasserstoffspeicherung und Klimaschutz

Die Speicherung von Wasserstoff verfügt über großes Potenzial für den Klimaschutz: Die Energie aus erneuerbaren Energiequellen kann mittels Wasserstoffspeichern langfristig gespeichert und weiterverwendet werden. Bislang klimaschädliche Industrien, die auf Erdgas, Kohle, Benzin oder Diesel setzen, könnten in Zukunft stattdessen auf Wasserstoffspeicher zurückgreifen und dadurch emissionsfrei werden. Für die massenweise Herstellung grünen Wasserstoffs ist ein Ausbau der erneuerbaren Energiequellen wie Solarenergie oder Windkraft erforderlich.

Häufige Fragen zum Thema Wasserstoff speichern
Wie und wo kann man Wasserstoff transportieren und speichern?

Wasserstoff kann auf verschiedene Arten gespeichert werden: 

  • Gasförmig unter Hochdruck in Drucktanks oder unterirdischen Kavernenspeichern
  • Flüssig bei -253 °C in isolierten Kryotanks
  • Adsorbiert in geeigneten festen Trägermedien wie Kohlenstoff, Zeolithen oder bestimmten Metallen (Metallhydridspeicher)
  • Adsorbiert in geeigneten flüssigen Trägermedien, zum Beispiel Öl (Liquid Organic Hydrogen Carrier)

Transportiert werden kann gespeicherter Wasserstoff angepasst an den jeweiligen Aggregatzustand beziehungsweise das Trägermedium zum Beispiel mit LKW, Schiffen und Zügen. 

 
Wie lange lässt sich Wasserstoff speichern?

Wasserstoff in Wasserstoffspeichern ist darauf ausgelegt, langfristig gespeichert und bei Bedarf genutzt zu werden. Bei Flüssiggasspeichern muss darauf geachtet werden, dass keine Erwärmung stattfindet und der Wasserstoff nicht nach und nach verdampft. Auch in Druckgasspeichern kann es zu Diffusion kommen, was die Speicherdauer beeinträchtigen würde. Die heute für die Speicher und Tanks verwendeten Materialien sind jedoch darauf ausgelegt, dies zu verhindern.

Wie wird Wasserstoff flüssig gemacht?

Um Wasserstoff zu verflüssigen, wird er unter geringem Druck in gasförmigem Zustand in ein Vakuum geleitet und dort unter großem Energieaufwand auf -253 °C heruntergekühlt. Anschließend wird er über ein spezielles Ventil in einen Speichertank expandiert und bei dieser Überführung in Flüssigkeit umgewandelt.

Wie flüchtig ist Wasserstoff?

Wasserstoff ist ein sehr flüchtiges Gas, da es ungefähr 14 mal leichter als Sauerstoff ist. Ab einem Anteil von 18 Prozent stellt Wasserstoff in Kombination mit Sauerstoff ein explosives Gemisch dar. Da der Wasserstoff jedoch sehr flüchtig ist, besteht bei Austreten durch ein Leck kaum Gefahr, da sich der Wasserstoff nach oben verflüchtigt. 

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