Die wichtigsten Methoden zur Speicherung von Wasserstoff

In der Welt der erneuerbaren Energien kommt Wasserstoff eine Schlüsselrolle zu. Denn seine hohe Energiedichte prädestiniert das kleine Molekül zum Energieträger der Zukunft. Doch wie lässt sich dieses flüchtige und hochexplosive Gas am besten speichern und transportieren? Wir werfen einen Blick auf die wichtigsten Speichermethoden und die Herausforderungen im Explosionsschutz.

In Punkto Energiedichte ist Wasserstoff unter den Brennstoffen unschlagbar: Während ein Kilo Heizöl 9,8 bis 11,4 kWh Energie enthält, bringt es ein Kilogramm Wasserstoff auf beachtliche 33,3 kWh. Doch bei normalen Temperaturen und normalem Luftdruck verteilt sich die Energie des Wasserstoffs auf ein ziemlich großes Volumen. In einem Liter Wasserstoff stecken dann gerade einmal 3 Wh Energie. Weil das so ist, gibt es für Wasserstoff nicht nur „das Eine“ Speichersystem, sondern eine ganze Reihe an Möglichkeiten, die jeweils Vor- und Nachteile haben.

Die Druckgasspeicherung ist wohl die bekannteste Methode, um Wasserstoff zu lagern. Dabei wird das Gas unter hohem Druck in speziellen Tanks komprimiert. Dies erfolgt bei Drücken von bis zu 700 bar oder mehr. Der Vorteil dieser Methode liegt in der relativ einfachen und weit verbreiteten Technologie. Vor allem in der Automobilindustrie für Brennstoffzellenfahrzeuge findet sie Anwendung. Um große Mengen des Energieträgers zu speichern, eignen sich unterirdische Kavernenspeicher – zum Beispiel Salzstöcke. Allerdings ist der Energieaufwand für die Kompression des Wasserstoffs nicht zu unterschätzen und es besteht das Risiko von Wasserstoffverlusten durch Diffusion.

Eine andere Herangehensweise ist die Flüssiggasspeicherung, bei der Wasserstoff auf bis zu -253 °C abgekühlt und verflüssigt wird. Diese Methode ermöglicht eine deutlich höhere Energiedichte, wodurch der Wasserstoff platzsparender gelagert und transportiert werden kann. Flüssiger Wasserstoff wird insbesondere in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Schwerindustrie genutzt. Doch die Verflüssigung ist energieintensiv – sie erfordert etwa ein Drittel der gespeicherten Energie – und für die sichere Lagerung sind gut isolierte Kryotanks notwendig. Diese müssen zudem fortlaufend gekühlt werden, um den Boil-Off-Effekt, also das abdampfen von Wasserstoff, zu reduzieren.

Die chemische Speicherung ermöglicht es, Wasserstoff in einer anderen chemischen Verbindung zu binden und bei Bedarf wieder freizusetzen. Wichtige Träger hierfür sind Ammoniak und Methanol, die eine hohe Energiedichte aufweisen und sich einfacher transportieren und lagern lassen als reiner Wasserstoff. Diese Methode bietet mehr Sicherheit und könnte besonders für den Transport über weite Strecken interessant sein. Weniger bedeutend sind weitere Verbindungen wie Ameisensäure und Hydrazin. Allen gemeinsam ist die Tatsache, dass der Umwandlungsprozess immer mit Energieverlusten verbunden ist.

Eine spannende Ergänzung in der chemischen Speicherung sind flüssige organische Wasserstoffträger (LOHC = liquid-organic hydrogen carrier), wie Dibenzyltoluol. Diese Technologie erlaubt es, Wasserstoff sicher und effizient bei normalen Umgebungsbedingungen zu speichern und zu transportieren, indem das Gas chemisch an eine Flüssigkeit gebunden wird. LOHCs nutzen bestehende Infrastruktur und ermöglichen eine hohe Speicherdichte, die fünfmal höher ist als bei Druckspeicherung. Trotz der Vorteile, wie dem Nutzen von Wärmeenergie aus dem Hydrierungs- und Dehydrierungsprozess, müssen Herausforderungen wie der Gesamtwirkungsgrad und die zusätzliche Masse durch die Trägerstoffe berücksichtigt werden. Vor allem auf kurze Distanzen können LOHC eine interessante Option in der Speicherung und dem Transport von Wasserstoff sein.

Metallhydridspeicher nutzen spezielle Legierungen, die Wasserstoff wie ein Schwamm aufsaugen können. Diese Technik ermöglicht eine sichere und relativ dichte Speicherung des Gases ohne die Notwendigkeit von hohem Druck oder extrem niedrigen Temperaturen. In U-Booten wird diese Methode bereits eingesetzt. Allerdings ist sie durch das Gewicht der Metallhydride und die langsamen Reaktionszeiten bei der Wasserstofffreisetzung limitiert.

Eine weitere Option ist die Adsorptionsspeicherung, bei der Wasserstoff an die Oberfläche von Materialien wie Aktivkohle oder Zeolithen gebunden wird. Diese Methode funktioniert besonders gut bei niedrigen Temperaturen und bietet eine sichere Lageroption. Sie steht jedoch noch am Anfang ihrer Entwicklung und erfordert weitere Forschung, um Effizienz und Kapazität zu verbessern.

Alle oben genannten Speichertechnologien haben spezifische Vor- und Nachteile. Ihnen gemeinsam ist allerdings die Frage, wie Menschen, Anlagen und Umwelt vor den Gefahren geschützt werden können, die von Wasserstoff ausgehen. Eine Besonderheit von Wasserstoff gegenüber anderen brennbaren Gasen ist der sehr breite Explosionsbereich: Explosionsfähig sind Gemische mit einem Gehalt zwischen 4 Vol. % und 77 Vol. % – und bei Wasserstoff-Explosionen breiten sich die Flammen sehr schnell aus. Dazu kommt, dass nur wenig Energie notwendig ist, um ein Wasserstoff-Luft-Gemisch zu zünden: Mit 0,02 mJ ist die Zündenergie um den Faktor 15 niedriger als die von Methan. Auch deshalb ist Wasserstoff der gefährlichsten Zündgruppe (IIC) zugeordnet. Dass Explosionen mit Wasserstoff dennoch relativ selten sind, liegt nicht zuletzt auch an den umfangreichen Erfahrungen in der (petro-)chemischen Industrie beim Umgang mit dem Gas. Voraussetzung ist allerdings die Einhaltung der einschlägigen Sicherheitsnormen im Explosionsschutz, darunter IEC 60079 und IEC80079 sowie der speziellen Anforderungen an den Bau und Betrieb von Elektrolyseanlagen, die in ISO 22734 beschrieben sind.

Neben der Dichtigkeit der Anlage (primärer Explosionsschutz) spielt die Vermeidung von Zündquellen (sekundärer Explosionsschutz) eine wichtige Rolle. Entscheidend ist hier die aus der Risikoanalyse resultierende Zoneneinteilung, bei der die Zonen 0 Bereiche kennzeichnet, in denen explosionsfähige Atmosphären über lange Zeit auftreten oder häufig vorhanden sind, während in Zone 2 im Normalbetrieb nur selten und auch nur für kurze Zeit Ex-Atmosphären auftreten. Aufgrund des Explosionsverhaltens von Wasserstoff fällt dieser in die höchste Gasgruppe (IIC) und die maximal zulässige Oberflächentemperatur beträgt lediglich 450 °C. Die im Ex-Bereich eingesetzte Technik muss entsprechend sicher ausgeführt sein.