Wasserstoffspeicher

Wasserstoff ist ein vielseitiger Energieträger, der im Energiesystem der Zukunft eine bedeutende Rolle spielen könnte. Rein theoretisch ließen sich mit dem Gas fossile Rohstoffe zum Teil ersetzen. Damit der Energieträger breit zur Anwendung kommen kann, müssen sowohl die Herstellung von Wasserstoff als auch die Wasserstoffspeicherung so effizient wie möglich sein. 

Grundsätzlich lässt sich Wasserstoff auf vier verschiedene Arten speichern:

• gasförmig in Drucktanks oder unterirdischen Kavernenspeichern
• flüssig in isolierten Kryotanks
• adsorbiert in geeigneten festen Trägermedien
• adsorbiert in geeigneten flüssigen Trägermedien

Druckgasspeicherung

Um Wasserstoff in Drucktanks speichern zu können, muss er zunächst unter hohem Druck verdichtet werden. Diese Art der Speicherung eignet sich vor allem für kleinere Mengen an Wasserstoff. Zum Einsatz kommen Hochdruckspeicher beispielsweise bei Lkw-Transporten, in Fahrzeugen, in der Industrie oder auch an Wasserstofftankstellen. 

Die Behälter unterscheiden sich je nach Verwendungszweck und Druckniveau. Bei stationären Anwendungen, wo es nicht auf Größe oder Gewicht ankommt, werden häufig zylindrische Stahlbehälter genutzt. Drucktanks für Fahrzeuge müssen dagegen leicht sein, wenig Platz einnehmen und einem Druckniveau von 350 bar bei Nutzfahrzeugen und 700 bar bei Wasserstoffautos standhalten. Sie bestehen aus einem dünnen Innenbehälter aus Aluminium oder Polyethylen, der außen mit Kohle- oder Glasfaser verstärkt ist.

Größere Mengen an Wasserstoff könnten langfristig in unterirdischen Kavernenspeichern gelagert werden. Dafür bieten sich beispielsweise die Hohlräume von Salzstöcken an, in die ein Speicherbehälter eingebaut wird. In Großbritannien und in den USA werden Salzkavernen bereits seit geraumer Zeit genutzt, um Wasserstoff zu speichern. In Deutschland entstehen derzeit erste Forschungskavernen. Auch Porenräume von ehemaligen Gas- und Öllagerstätten könnten als Speicherort genutzt werden. Ihr Fassungsvermögen ist sehr hoch, allerdings kann das Gas nur bei hohem Druck eingespeichert und nur langsam wieder ausgespeichert werden.

Flüssiggasspeicherung

Für die Speicherung in flüssiger Form wird der Wasserstoff auf −253 °C heruntergekühlt und über ein spezielles Ventil in den Kryotank expandiert. Flüssiger Wasserstoff besitzt nur ein Fünftel des Volumens von gasförmigem Wasserstoff. Damit eignet er sich besonders gut für den Transport über große Entfernungen. Zudem ist der Energiegehalt bezogen auf das Gewicht sehr hoch. Deshalb wird flüssiger Wasserstoff als Raketentreibstoff verwendet.

Damit die Temperaturen konstant gehalten werden können, muss der Kryotank entsprechend gut isoliert sein. Erwärmt sich der Wasserstoff, könnte er abdampfen und verloren gehen – man spricht in diesem Zusammenhang auch von Abdampfverlusten. Über längere Zeit hinweg lassen sich diese nicht immer vermeiden. Der größte Nachteil ist jedoch der hohe Energieverbrauch: Allein für das Herunterkühlen wird rund ein Drittel der gespeicherten Energie benötigt.

Adsorptionsspeicher mit festen Trägermaterialien

Aufgrund ihrer Porengröße sind bestimmte Feststoffe in der Lage, Wasserstoff an ihrer Oberfläche zu adsorbieren, also anzulagern. Kommen die Wasserstoffmoleküle mit der Oberfläche in Kontakt, zerfallen sie in ihren atomaren Zustand und dringen in sie ein. Geeignete Adsorptionsspeicher sind beispielsweise poröser Kohlenstoff, Zeolith und bestimmte Metalle bzw. Metalllegierungen. 

Adsorptionsspeicher auf der Basis von Metalllegierungen nennt man auch Metallhydrid-Speicher, da sich bei der Anlagerung von Wasserstoff im Metallgitter sogenannte Metallhydride bilden. Dabei wird Wärme frei. Um den Wasserstoff wieder zu lösen, muss der Prozess umgekehrt und Wärme zugeführt werden. Metallhydrid-Speicher besitzen bezogen auf das Volumen eine sehr gute Speicherkapazität. Zudem arbeiten sie fast bei Normaldruck und haben eine reinigende Wirkung auf Wasserstoff. Wird der Speicher beschädigt, bleibt der Wasserstoff trotzdem gebunden. 

Allerdings sind sie vergleichsweise schwer und teuer, was ihre Einsatzmöglichkeiten einschränkt. Zur Anwendung kommen sie heute beispielsweise in U-Booten. Es ist aber denkbar, dass sie künftig auch als Brennstoffzellen-Systemkomponente in Fahrzeugen oder in brennstoffzellengetriebenen Kleingeräten Verwendung finden.

Durch die Synthese neuer Materialien besteht die Möglichkeit, Wasserstoff effizienter und kostengünstiger zu speichern. In jüngster Zeit wurden beispielsweise organische und anorganische Bausteine gezielt zu einer neuen Materialklasse kombiniert – sogenannte Koordinationspolymere. Ihnen wird unter anderem das Potenzial zur Gasspeicherung zugeschrieben.

Adsorptionsspeicher mit flüssigen Trägermaterialien

Auch bestimmte organische Flüssigkeiten können Wasserstoff anlagern. Sie werden auch als Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC) bezeichnet. Als Speichermedium kommen beispielsweise Öle infrage. Der gespeicherte Wasserstoff kann dann ähnlich wie Diesel oder Heizöl gehandhabt werden. Um den Wasserstoff an das Öl zu binden und ihn wieder freizusetzen, werden Katalysatoren benötigt. 

Die Speicherdichte ist bei LOHC-basierten Speicherverfahren etwa fünfmal so hoch wie bei Hochdruckspeichern. Zum Vergleich: Um 1 kg Wasserstoff zu speichern benötigt man einen Drucktank in der Größe eines Menschen. Mit der LOHC-Technik reicht ein 20-Liter-Kanister. Nachteilig ist der hohe Energieverbrauch bei der Wiedergewinnung des Gases. An der Steigerung der Effizienz wird derzeit geforscht. 

Herausforderungen beim Speichern von Wasserstoff

• Wasserstoff bildet in Verbindung mit der Umgebungsluft ein entzündliches Gemisch. Bei einem Sauerstoffanteil von 18 % entsteht Knallgas. Da Wasserstoff rund 14-mal leichter als Luft ist, verflüchtigt es sich in offener Umgebung aber meist, bevor es gefährlich wird.
• Im Vergleich zu fossilen Energieträgern besitzt Wasserstoff eine niedrige volumenbezogene Energiedichte. Um die gleiche Energiemenge zu speichern, benötigt man entsprechend größere Tanks oder einen höheren Druck.
• Aufgrund der geringen Molekülgröße diffundiert Wasserstoff durch viele Materialien. Dieser Effekt wird durch hohe Temperaturen oder einen hohen Druck verstärkt.
• Bei der Verflüssigung entstehen hohe Verluste.
• Zur Verflüssigung und zur Kompression wird viel Energie benötigt. Wasserstoffspeicher sind daher oft noch unwirtschaftlich.
• Für die unterirdische Speicherung von Wasserstoff müssen geeignete Orte und Anlagen gefunden werden. Zudem ist ein Netz an Leitungen und Anschlussstellen notwendig.