Wasserstoffspeicherung und -transport sind entscheidende Glieder in der Entwicklung der Wasserstoffenergie. Die hohen Kosten für den Wasserstofftransport sind zu einem Engpass für die großflächige Anwendung von Wasserstoffenergie geworden.
Die Wasserstoffenergie-Wertschöpfungskette umfasst drei zentrale Glieder – Wasserstofferzeugung, Speicherung/Transport und Nutzung, wie im untenstehenden Diagramm dargestellt:
Die größte Herausforderung für die weltweite Entwicklung der Wasserstoffenergie besteht in der Speicherung und dem Transport. Die Suche nach sicheren, wirtschaftlichen, effizienten und praktikablen Methoden für die Speicherung und den Transport ist der Schlüssel zur vollständigen Anwendung von Wasserstoffenergie über den gesamten Lebenszyklus. Wasserstoffspeicherung und -transport umfassen sowohl die Speicherung von Wasserstoffgas als auch den Transport von Wasserstoffenergie.
Wasserstoffspeicherung
Die Anforderungen an Wasserstoffspeichertechnologien sind Sicherheit, große Kapazität, niedrige Kosten und einfache Handhabung. Aktuell gibt es vier Hauptmethoden zur Wasserstoffspeicherung: Tieftemperatur-Flüssigwasserstoff, Hochdruck-Gaswasserstoff, Feststoffspeicherung und organische Flüssigwasserstoffspeicherung. Ein Vergleich dieser vier Hauptmethoden ist in der folgenden Tabelle dargestellt:
Unter den vier Wasserstoffspeichertechnologien ist die Hochdruckspeicherung am ausgereiftesten und am weitesten verbreitet, hat jedoch Einschränkungen bei Dichte und Sicherheit. Feststoffspeicher bieten großes Potenzial, befinden sich aber noch im Forschungsstadium. Tieftemperatur-Flüssigwasserstoff bietet Vorteile hinsichtlich gravimetrischer und volumetrischer Dichte, ist jedoch durch hohe Verflüssigungsenergie und Isolationsanforderungen teuer. Die organische Flüssigwasserstoffspeicherung hat aufgrund technischer und wirtschaftlicher Herausforderungen die kommerzielle Großanwendung noch nicht erreicht.
Hochdruck-Gaswasserstoffspeicherung
Die Hochdruckspeicherung von Wasserstoffgas ist eine relativ ausgereifte Technologie und derzeit die weltweit am meisten genutzte Methode zur Wasserstoffspeicherung. Dabei wird Wasserstoffgas in einen hochdruckbeständigen Behälter komprimiert. Der Wasserstoff bleibt im gasförmigen Zustand, und die gespeicherte Menge ist proportional zum Druck im Tank. Gasflaschen werden üblicherweise als Speicherbehälter verwendet.
Die Vorteile dieser Methode sind geringer Energiebedarf für die Speicherung, niedrige Kosten (bei niedrigerem Druck) und eine einfache Steuerung der Wasserstofffreisetzung über Druckregler. Somit ist die Hochdruck-Gaswasserstoffspeicherung eine ausgereifte Lösung.
Derzeit gibt es weltweit zwei Haupttypen von Hochdruckwasserstoffflaschen: 35 MPa Carbonfaser-Verbundflaschen und 70 MPa Wasserstoffflaschen. Die Wasserstoffdichte beträgt etwa 23 kg/m³ bei 35 MPa und ca. 38 kg/m³ bei 70 MPa. Ein neues Patent von Toyota aus dem Jahr 2017 schlug ein komplett aus Faserverbundstoffen gewickeltes, leichtes Tankdesign vor, das 70 MPa mit einer gravimetrischen Dichte von 5,7 % erreichen kann. Allerdings sind die Kosten für das Hochdruck-Pressen hoch und die Sicherheit nimmt mit steigendem Druck deutlich ab – es besteht das Risiko von Leckagen und Explosionen. Daher muss die Sicherheit weiter verbessert werden.
Die zukünftige Entwicklung der Hochdruck-Wasserstoffspeicherung wird sich auf geringeres Gewicht, höheren Druck, niedrigere Kosten und stabile Qualität konzentrieren. Neue Behältermaterialien werden erforscht, um die Anforderungen an höhere Drücke zu erfüllen und sowohl die Sicherheit als auch die Wirtschaftlichkeit zu verbessern.
Tieftemperatur-/Organische Flüssigwasserstoffspeicherung
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- Die Tieftemperatur-Flüssigwasserstoffspeicherung verflüssigt zunächst das Wasserstoffgas und lagert es dann in vakuumisolierten Behältern. Der Vorteil ist die hohe volumetrische Energiedichte von Flüssigwasserstoff – mit einer Dichte von 70,78 g/L, etwa 850-mal so hoch wie gasförmiger Wasserstoff unter Normalbedingungen. Auch bei Kompression ist die Speicherdichte gasförmigen Wasserstoffs pro Volumen weit niedriger als bei der Flüssiglagerung. Der Siedepunkt von Flüssigwasserstoff liegt jedoch extrem niedrig (−252,78 °C), was eine hohe Temperaturdifferenz zur Umgebung und damit hohe Isolationsanforderungen an die Behälter stellt. Aktuell befindet sich der größte Flüssigwasserstofftank im Kennedy Space Center in den USA mit einem Fassungsvermögen von 12.000 Litern.
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- Bei der organischen Flüssigwasserstoffspeicherung wird Wasserstoffgas chemisch an aromatische organische Verbindungen wie Toluol (TOL) durch Hydrierung gebunden, wodurch gesättigte Ringverbindungen wie Methylcyclohexan (MCH) entstehen, die Wasserstoff im Molekülstruktur enthalten. Dies ermöglicht Lagerung und Transport in flüssiger Form bei Umgebungstemperatur und -druck. Am Einsatzort kann mit einem Katalysator die benötigte Menge Wasserstoffgas durch Dehydrierung wieder freigesetzt werden, wie im untenstehenden Diagramm gezeigt:
Organische Flüssigwasserstoffspeicherung ermöglicht die Lagerung und den Transport von Wasserstoff in flüssiger Form bei Umgebungstemperatur und -druck, was sicher und effizient ist. Es gibt jedoch weiterhin technische Engpässe, wie komplexe Dehydrierungstechnologien, hohen Energieverbrauch bei der Dehydrierung und die Notwendigkeit, neue Dehydrierungskatalysatoren zu entwickeln. Können diese Probleme gelöst werden, hat die organische Flüssigwasserstoffspeicherung großes Potenzial für eine breite Anwendung im Bereich der Wasserstoffspeicherung und des Wasserstofftransports.
Für großflächige und langstreckige Wasserstoffspeicherung und -transport bietet die Tieftemperatur-Flüssigwasserstoffspeicherung größere Vorteile. Bei Transporten über 500 km steigt die Lieferkosten pro kg Flüssigwasserstoff nur um etwa 0,3 US-Dollar, während die Kosten für Hochdruck-Gastransport mehr als das Fünffache betragen. Aktuell wird Flüssigwasserstoff hauptsächlich als kryogener Treibstoff in der Raumfahrt eingesetzt. Einige Forscher untersuchen den Einsatz von Flüssigwasserstoff als Fahrzeugkraftstoff, jedoch gibt es bisher keine bedeutenden Fortschritte. Zu den bisher umgesetzten Anwendungen gehören die Flüssigwasserstoffspeicherung von Kawasaki Heavy Industries und die organische Hydrid-Speicherung der Chiyoda Corporation. In den USA haben Chemiker ein B-N-basiertes Flüssigwasserstoffspeichermaterial entwickelt, das sicher bei Raumtemperatur funktioniert und eine Lösung für die Herausforderungen der Wasserstoffspeicherung und des Transports bietet. In naher Zukunft sollte China die Forschung an Tieftemperatur- und organischen Flüssigwasserstoffspeichertechnologien intensivieren, günstige und energiesparende Dehydrierungskatalysatoren sowie Speichermedien mit niedrigem Schmelzpunkt entwickeln. Dies ist für die globale Wasserstoffwirtschaft von großer Bedeutung und ein wichtiger Entwicklungstrend für die Zukunft.
Feststoff-Wasserstoffspeicherung
Basierend auf dem Speichermechanismus lassen sich Feststoff-Wasserstoffspeichermaterialien in zwei Kategorien einteilen: physikalisch adsorbierende Materialien und Metallhydridmaterialien. Metallhydride sind aktuell der vielversprechendste und sich am schnellsten entwickelnde Ansatz zur Feststoff-Wasserstoffspeicherung. Die Einteilung der Feststoffspeichermaterialien ist im folgenden Diagramm dargestellt:
Die Wasserstoffspeicherung mit Metallhydriden nutzt spezielle Materialien, um Wasserstoffgas zu speichern und freizusetzen. Unter bestimmten Temperatur- und Druckbedingungen reagiert Wasserstoff mit Übergangsmetallen oder Legierungen und wird in Form von Metallhydriden aufgenommen. Durch Erhitzen des Hydrids kann der Wasserstoff wieder freigesetzt werden. Beispiele hierfür sind LaNi5H6, MgH2 und NaAlH4.
Metallhydridspeichertanks zeichnen sich durch hohe Wasserstoffdichte, einfache Handhabung, komfortablen Transport, niedrige Kosten, hohe Sicherheit und gute Rückführbarkeit aus. Allerdings ist der Massewirkungsgrad derzeit gering. Wird dieser verbessert, wäre diese Speicherart ideal für Brennstoffzellenfahrzeuge geeignet.
Ein Vergleich verschiedener Wasserstoffspeichertechnologien, der ihre jeweiligen Eigenschaften zusammenfasst, ist im folgenden Diagramm dargestellt:
Wie im Diagramm zu sehen ist, hat die Tieftemperatur-Flüssigwasserstoffspeicherung nur begrenzte Einsatzmöglichkeiten und hohe Kosten, wodurch ihre kommerzielle Perspektive im Vergleich zu den anderen drei Technologien langfristig schlechter ist. Die Hochdruck-Gaswasserstoffspeicherung ist weltweit die ausgereifteste Technologie. Tieftemperatur- und organische Flüssigwasserstoffspeicherung bieten gute Gesamtleistung, benötigen jedoch noch technologische Durchbrüche zur Kostensenkung. Derzeit nutzen Wasserstofftankstellen Hochdruck-Gaswasserstoffspeicherung. Langfristig bleibt diese Methode auch in China vorherrschend. Aufgrund von Sicherheitsrisiken und geringem Volumen-Kapazitäts-Verhältnis ist sie jedoch nicht perfekt für Brennstoffzellenfahrzeuge geeignet, sodass ihr Anteil in Zukunft sinken könnte. Feststoffspeichermaterialien bieten hervorragende Wasserstoffspeicherleistung und sind das ideale Ziel unter den vier Methoden – sie gelten als vielversprechendes Forschungsfeld. Allerdings befindet sich diese Technologie noch im Stadium des technologischen Durchbruchs. Daher könnte sie die Barrieren für die Wasserstoffspeicherung überwinden und die Entwicklung der Wasserstoffindustrie beschleunigen.
Wasserstofftransport
Die Transportmethoden für Wasserstoff variieren je nach Speicherform und Transportmenge. Die drei Hauptmethoden sind Transport als Gas, Flüssigkeit oder Feststoff.
Gasförmiger Wasserstofftransport
Der gasförmige Transport erfolgt über Röhrentransporter und Pipelines. Röhrentransporter sind bei Langstrecken und großen Mengen teuer, während Pipelines eine wichtige Methode für großvolumigen, langstreckigen Wasserstofftransport darstellen. Der Pipeline-Transport bietet hohe Kapazität und niedrigen Energieverbrauch, erfordert aber hohe Anfangsinvestitionen. In der Anfangsphase der Pipeline-Entwicklung kann das Zumischen von Wasserstoff in Erdgas aktiv erprobt werden.
Flüssiger Wasserstofftransport
Der Flüssigtransport ist für den Ferntransport großer Mengen geeignet und nutzt Flüssigwasserstoff-Tankwagen oder spezielle Flüssigwasserstoff-Schiffe. Flüssigwasserstofflieferung kann die Versorgungskapazität einzelner Tankstellen verbessern. In Japan und den USA werden Flüssigwasserstoff-Tankwagen als wichtiges Transportmittel eingesetzt. 2009 entwickelte die japanische Chiyoda Corporation Schlüsseltechnologien für das LOHC-System (Liquid Organic Hydrogen Carriers). Das weltweit erste Demonstrationsprojekt für eine Wasserstoffversorgungskette nutzte Chiyodas SPERA-Technologie, um die kommerzielle Anwendung organischer Flüssigwasserstoffträger zu erproben – mit einer Transportkapazität von 210 t/Jahr im Jahr 2020.
Feststoff-Wasserstofftransport
Mit Metallhydriden gespeicherter Wasserstoff kann auf verschiedene Arten transportiert werden. Binnenschiffe, große Tankschiffe und andere Transportmittel können Feststoff-Wasserstoff transportieren.
Der Vergleich zeigt: Für Transportdistanzen über 300 km ist die Kostenreihenfolge: LOHC < LH2 (Flüssigwasserstoff-Tanker) < Wasserstoffpipeline < Röhrentransporter. Für Strecken unter 50 km ist der Pipeline-Transport günstiger und daher für kleine Distanzen wie innerhalb von Chemiewerken oder Mikronetzen geeignet. Mit zunehmender Transportdistanz werden organische Flüssig- und Tieftemperatur-Wasserstofflieferungen kostengünstiger. Daher eignet sich Flüssigtransport besser für den Ferntransport großer Mengen, z. B. zwischen Provinzen oder von Produktions- zu Verbrauchszentren.
Im Hinblick auf die Sicherheit bei Produktion, Speicherung und Transport von Wasserstoff schlagen einige Forscher das Konzept „flüssiger Sonnenschein“ vor: Mithilfe von CO2 und Wasserstoff wird Methanol hergestellt – dies löst effektiv das Speicherproblem. Methanol ist ein ausgezeichneter flüssiger Wasserstoffträger, sicher und bequem in Lagerung und Transport. Dies könnte auch ein neues Verfahren sein, um die volatile Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen wie Wind, Solar und Wasserkraft in abgelegenen Regionen nutzbar zu machen und neben Hochspannungsgleichstromübertragung eine weitere großskalige Energietransportlösung bieten.
Das „flüssiger Sonnenschein“-Konzept erweitert auch die Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung, indem es einen vollständigen ökologischen Kohlenstoffkreislauf ermöglicht. Dies trägt dazu bei, die globalen Klimaneutralitätsziele voranzutreiben und Lösungen für die Entwicklung grüner Energie und die Integration erneuerbarer Energien zu bieten.
