Zur Speicherung von Wasserstoff

Warum Speichern?

Die Speicherung von Energie ist ein wichtiges Thema für eine sichere und kontinuierliche Energieversorgung. Bereits jetzt werden in allen Bereichen unserer Gesellschaft Energiespeicher verwendet. Beispielsweise kann mit Batterien Strom gespeichert und freigesetzt werden, jedoch können auch Biomasse und fossile Energieträger (wie Erdgas), bei denen Wärme durch Verbrennung freigesetzt wird, als Speicher funktionieren. Im Stromnetz werden bereits eine Vielzahl verschiedener Technologien mit unterschiedlicher Speicherdauer und Verfügbarkeit genutzt (z.B. Pumpspeicherkraftwerk oder Schwungrad).

Da die Erzeugung und der Bedarf nicht immer an gleicher Stelle und Zeit stattfindet, werden neben einer Transportinfrastruktur auch Speicher für eine durchgehende (Energie-)Versorgung benötigt.

Da die Erzeugung und der Bedarf nicht immer an gleicher Stelle und Zeit stattfinden, werden neben einer Transportinfrastruktur auch Speicher für eine durchgehende (Energie-)Versorgung benötigt. Um die Speicherung, besonders für mobile Speicher, möglichst effizient zu gestalten, wird versucht, den Wasserstoff auf wenig Raum zu komprimieren. Diese Bedingung ist bei Wasserstoff eine große Herausforderung. Als das leichteste Element besitzt Wasserstoff unter Umgebungsbedingungen eine sehr geringe Dichte (siehe Tabelle). Trotz der hohen Energie pro Gewicht hat es deswegen wenig Energie pro Volumen.

Eigenschaften bei 15°C und 1 bar	Wasserstoff (gasförmig)	Methan (gasförmig)	Benzin (flüssig)
Gravimetrische Energiedichte (Hi) [kWh/kg]	33,33	13,9	~ 12
Dichte [kg/m³]	0,084	0,67	~ 750
Volumetrische Energiedichte (Hi) [kWh/m³]	2,8	9,3	~ 9000

Die Vielzahl der existierenden Speichertechnologien können zur Übersichtlichkeit in verschiedene Untergruppen zusammengefasst werden. In der unten stehenden Abbildung werden die Technologien anhand der verwendeten physikalisch-chemischen Prozesse eingeteilt.

Die Kategorie „Physikalisch in Reinform“ bezeichnet die Speicherung von Wasserstoff einzig über eine Verdichtung durch Druck- und Temperaturveränderungen. In der weit verbreiteten Technologie der Hochdruckspeicherung (CGH₂ steht für Compressed Gaseous Hydrogen) wird der Druck stark erhöht, um die Dichte des Gases zu erhöhen. Bei einer Druckerhöhung von 1 bar auf 700 bar erhöht sich die Dichte auf das 480-fache. Eine stärkere Verdichtung erfolgt durch die Änderung des Aggregatzustandes von gasförmig zu flüssig (bis zum Teil fest, „slush“). Dies ist mit Druck allein technisch nicht sinnvoll durchführbar, weswegen der Wasserstoff auf -253°C herunter gekühlt wird (im Gegensatz zu -162°C bei Flüssig-Erdgas - LNG).

Bei den Technologien in der Kategorie „Physikalisch gebunden“ handelt es sich um Behälter, die neben Wasserstoff noch mit einem zusätzlichen Material gefüllt wurden. Der Wasserstoff lagert sich dabei entweder an oder in das meist feste Trägermaterial. Die Speicherung ist dabei exotherm, d.h. es wird Wärme erzeugt. Im Gegensatz dazu wird bei der Entladung des Wasserstoffs wiederum Wärme benötigt, die von außen hinzugegeben werden muss.

Unter der Kategorie „Chemisch gebunden“ sind Stoffe aufgelistet, in denen Wasserstoff als chemische Verbindung gespeichert werden kann. Wasserstoff reagiert unter speziellen Bedingungen (z.B. Druck, Wärme, Katalysator) mit einem Ausgangstoff, wodurch ein neues Molekül entsteht. Dieses Speichermedium ist stabil und kann bei Bedarf wieder zurück in den Ausgangstoff und Wasserstoff zersetzt werden, wofür je nach Reaktion spezielle Bedingungen geschaffen werden müssen.

Die Gesamteffizienz der verschiedenen Speichermöglichkeiten unterscheidet sich beträchtlich.

Eine erweiterte Version dieses Beitrags ist auch als Fact Sheet erhältlich.