Die Wasserstoffspeicherung findet heute zum größten Teil im gasförmigen oder flüssigen Zustand statt. Sie kann aber auch in chemisch gebundener Form, z. B. mittels Metallhydriden oder LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier, deutsch: flüssige organische Wasserstoffträger) erfolgen. Der Aggregatzustand und das Druckniveau haben hierbei einen großen Einfluss auf den Wasserstoffspeicher.
Wasserstoff ist das leichteste Element im Periodensystem. Er ist unter Umgebungsbedingungen gasförmig und hat eine sehr geringe volumetrische Energiedichte. Im obigen Diagramm ist zu erkennen, wie sich die volumetrische und gravimetrische Energiedichte mit dem Druckniveau und Aggregatzustand der verschiedenen Energieträger stark ändert (Aktualisierung der Frage des Monats vom 16. Dezember 2019).
Wasserstoffspeicherung gasförmig (CGH2: Compressed Gaseous Hydrogen)
Gasförmiger Wasserstoff lässt sich nach dem Verdichten bei hohem Druck in einem Wasserstofftank speichern. In der Elektromobilität hat sich beispielsweise ein Druckniveau von 350 bar für Nutzfahrzeuge und 700 bar für PKW durchgesetzt. Wie in der obigen Abbildung zu sehen, beträgt die Dichte von Wasserstoff bei 700 bar ca. 40 kg/m³ (33,3 kWh/kg und 1,3 kWh/l). Bei 350 bar sind es 24 kg/m³ (33,3 kWh/kg und 0,91 kWh/l) (vgl. Frage des Monats vom Juni 2024:“Dichte von Wasserstoff: Welchen Einfluss hat der Wasserstoffdruck auf die Energiedichte im Wasserstofftank?“). Der Hochdruckspeicher bietet für fahrzeugübliche Speichermengen eine günstige Lösung und wird daher vor allem in mobilen Anwendungen wie in PKW und Nutzfahrzeugen eingesetzt. Sehr große Mengen können in unterirdischen Kavernenspeichern gespeichert werden, hier ist auch eine längerfristige Lagerung möglich. Im Vergleich zu konventionellem Erdgas (siehe Abbildung oben) hat gasförmiger Wasserstoff eine deutlich höhere gravimetrische Energiedichte.
Wasserstoffspeicherung flüssig (LH2: Liquid Hydrogen)
Eine Alternative stellt die Verflüssigung von Wasserstoff dar. In diesem Zustand besitzt LH2 eine wesentlich höhere Dichte von 71 kg/m³ (33,3 kWh/kg und bzw. 2,4 kWh/l) bei deutlich kleinerem Volumen. Dadurch eignet sich Flüssigwasserstoff besonders für den Transport von großen Speichermengen über längere Distanzen. Hierfür muss der Wasserstoff allerdings verflüssigt und bei höchstens –253 °C in Kyrotanks gespeichert werden. Kann diese Temperatur nicht gehalten werden, kann es zu Abdampfverlusten kommen, wenn der Wasserstoff in die gasförmige Phase übergeht.
Wasserstoffspeicherung mittels Metallhydrid
Verschiedene Metalle können gasförmigen Wasserstoff absorbieren. Beim Kontakt des Wasserstoffgases mit der Feststoffoberfläche des verwendeten Speichermaterials zerfallen die Wasserstoffmoleküle in atomaren Wasserstoff und lagern sich in die vorhandene Gitterstruktur des Metalls ein. Dabei werden leichte Gitterverzerrungen verursacht und es entstehen Metallhydride. Um den Wasserstoff wieder aus dem Metallgitter lösen zu können, muss Wärme zugeführt werden. Beladung und Entladung der Metallhydridspeicher können bei vergleichsweise niedrigen Drücken erfolgen. Primärer Nachteil ist, dass diese Art von Energiespeichersystem im Verhältnis zum aufgenommenen H2-Gehalt relativ schwer ist. Metallhydridspeicher werden daher üblicherweise in Spezialanwendungen wie z.B. als Kleinstwasserstoffspeicher oder in U-Booten eingesetzt.
Wasserstoffspeicherung mittels LOHC
LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier) speichern den Wasserstoff in einem flüssigen Trägermedium. Ölartige Flüssigkeiten wie Toloul, Benzyltoluol oder Dibenzyltoluol binden Wasserstoff chemisch durch eine katalytische Reaktion. Der gespeicherte Wasserstoff kann dann bei Umgebungsbedingungen ähnlich wie Dieseltreibstoff gehandhabt werden. Diese Technologie eignet sich besonders für die Speicherung und den Transport von großen Wasserstoffmengen.
Zusammenfassung: Wasserstoffspeicherung
Jede dieser Varianten der Wasserstoffspeicherung hat ihre Vorteile und Berechtigung. Entscheidend bei der Auswahl der Speichertechnologie ist der spezielle Anwendungsfall. Ob in der Mobilität, als stationärer Wasserstofftank, bei großen oder kleinen Speichermengen – im Zuge der Energiewende wächst die Nachfrage nach Energiespeichern, um Unterschiede zwischen Erzeugung und Verbrauch ausgleichen zu können. Wasserstoff bietet auch durch die unterschiedlichen Speichermöglichkeiten vielseitige Anwendungsmöglichkeiten. Er kann dadurch ein wichtiges Medium sein, um den Herausforderungen der Energiewende zu begegnen.
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