Wird ein Wasserstofftank mit 700 bar betankt, ist nicht doppelt so viel Wasserstoff im Tank wie bei 350 bar, sondern nur etwa 67 % mehr. Das gilt auch für den Energiegehalt im Wasserstofftank. Das Verhältnis zwischen der Dichte von Wasserstoff und dem Druck (ρ/p) ist bei realen Gasen nicht linear – dies gilt auch für Wasserstoff und ganz besonders bei einem hohen Wasserstoffdruck, wie er typischerweise in Brennstoffzellenfahrzeugtanks herrscht. Obige Abbildung zeigt den Vergleich eines idealen Gases mit dem realen Gas Wasserstoff (Aktualisierung der Frage des Monats vom 16. März 2019).
Ideales Gas
Hinter dem Begriff ideales Gas steckt die Modellvorstellung eines realen Gases. Über diese Modellvorstellung werden für das reale Gas bestimmte vereinfachte Eigenschaften dargestellt. Die meisten Gase verhalten sich innerhalb bestimmter Druck- und Temperaturgrenzen ausreichend genau wie ideale Gase. Im abgebildeten Koordinatensystem zeigt die graue Gerade den Verlauf eines idealen Gases. Dieser Zusammenhang weist ein lineares Verhältnis von Dichte und Druck bei konstanter Temperatur auf, sodass sich bei doppeltem Druck die Dichte ebenfalls verdoppelt.
Reales Gas – gasförmiger Wasserstoff
Der Energieträger Wasserstoff und andere Gase, die in der Natur vorkommen, wie z.B. Stickstoff oder Sauerstoff, werden in der Physik als reale Gase bezeichnet. Eine Vereinfachung dieser Elemente als ideales Gas ist in der Regel nicht zulässig, besonders wenn Faktoren wie Druck und Temperatur einbezogen werden. Druck und Temperatur haben in diesem Fall einen noch größeren Einfluss auf die Eigenschaften von Wasserstoff. Eine eindeutige und reale Beschreibung des Drucks und der Temperatur ist unter Berücksichtigung der molekularen Eigenschaften von Wasserstoff möglich. Die blaue Kurve, die die Dichte von Wasserstoff und somit auch die Wasserstoffenergiedichte wiedergibt, weicht mit ansteigendem Druck mehr und mehr vom Verlauf eines idealen Gases (graue Linie) ab.
Dichte, Volumen, Energie – Dichte von Wasserstoff
Wasserstoff verhält sich bei einem Druck unter 10 bar annähernd ideal. Bei einer Temperatur von 15 °C und einem Druck von 350 bar beträgt die Dichte von Wasserstoff ca. 24 kg/m³. Wird der Druck auf 700 bar erhöht, steigt die Dichte auf ca. 40 kg/m³. Somit fasst ein Wasserstofftank bei doppeltem Druck (erhöht von 350 auf 700 bar) ca. 67 % mehr Wasserstoff. Oder anders gesagt: Bei 350 bar fasst der Tank ca. 60 % des Wasserstoffs wie bei 700 bar. Wäre der Wasserstoff ein ideales Gas, würde bei einem Druck von 700 bar eine theoretische Dichte von ca. 57 kg/m³ bei 15°C erreicht werden. Für die gasförmige Wasserstoffspeicherung werden aber nicht nur 350 und 700 bar – wie typischerweise im Brennstoffzellenfahrzeugbereich – genutzt, sondern weitere verschiedene Druckniveaus.
Wasserstoffdichte bei verschiedenen Temperaturen
Der oben gezeigte Dichte- und Druckzusammenhang gilt bei konstanter Temperatur von 15°C. Bei anderen Wasserstofftemperaturen von beispielsweise 0°C oder 20°C ergibt sich ein anderer Verlauf im Diagramm. Der temperaturabhängige Verlauf würde die beiden Kurven bei 20°C nach unten und bei 0°C nach oben verschieben.
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