Speicherung von Wasserstoff

Es gibt heute verschiedene Techniken, um Wasserstoff zu speichern, bei denen man zwischen der Speicherung in gasförmigem, flüssigem oder chemisch gebundenen Zustand unterscheiden kann.

Gasförmiger und flüssiger Wasserstoff

Stationäre Speicher dienen der Speicherung von großen Wasserstoff-Mengen. So wird gasförmiger Wasserstoff zum Beispiel in unterirdische Salz- und Felskavernen gepumpt, wo er bei Druckverhältnissen um 50 bar gelagert wird. Diese Lösung ist jedoch erst ab einem Speichervolumen von mehreren Millionen Normkubikmetern (Nm3) relevant.

Druckspeicher (Bild: H2-Expo)

Kleiner H2-Mengen lassen sich einfach in Druckgasflaschen speichern. Hier gilt der Grundsatz: Je höher der Druck im Tank, desto höher ist auch die Speicherdichte. In Zuge der Einführung erdgasbetriebener Fahrzeuge wurden Druckgastank aus Stahl entwickelt, die in der Regel für einen Fülldruck bis 200 bar zugelassen sind. Hinzu kamen später Composite-Tanks (Vollverbunddruckflaschen), die mitunter bis zu einem Druck von 350 bar befüllt werden können. Die volumenspezifische Speicherdichte reicht von 0,5 kWh/l bei Stahlflaschen bis zu 0,8 kWh/l bei leichten Vollverbundflaschen.

Flüssiger Wasserstoff (LH2 = engl. liquid hydrogen) lässt sich hingegen in stationären und mobilen Tanks, die durch spezielle Isolierungen eine Abdampfrate von unter 0,05% erreichen können, speichern. Diese Tanks werden auch Kryotanks oder Kryospeicher genannt (griech. kryos = kalt). Zwar liegt die volumenspezifische Speicherdichte bei 2,13 kWh/l (ca. 4,5 kWh/kg), doch der Wasserstoff muß dafür zunächst verflüssigt werden. Die Verflüssigung bedarf jedoch einer Energie von 36kJ/g um Wasserstoff auf eine Temperatur von -253°C herunterzukühlen, was ca. einem Drittel der gespeicherten Energie entspricht.

Metallhydridspeicher

In den 80er Jahren verstärkte Daimler-Benz gemeinsam mit Mannesmann die Forschung an einer weiteren Speichertechnologie: Metallhydridspeichern. Der Vorteil dieses Wasserstoffschwamms ist die größere volumetrische Speicherdichte (1-1,5 kWh/l) und die einfache Handhabung.

Metallhydride entstehen aus Metallen (wie z.B. Palladium oder Magnesium) oder intermetallischen Verbindungen (wie z.B. ZrMn2), die Wasserstoff sozusagen wie ein Schwamm "aufsaugen" können. Bei Standardtemperatur und geringem Überdurck reagieren sie dabei nach folgender Gleichung:

Me + x/2 H₂ <=> MeH_x   (exotherm)

In der ersten Reaktionsphase, der sogenannten a-Phase (Alpha-Phase), werden an der Metalloberfläche katalytisch gespaltene Wasserstoffmoleküle, also Wasserstoffatome, als Einlagerungs- oder Zwischengitteratome in das Metallgitter gelöst. Erhöht man nun den Druck im Speicher, erhöht sich auch die Wasserstoffkonzentration im Metallgitter bzw. in der intermetallischen Bindung. Ist eine Sättigung der α-Phase erreicht, bildet sich an einigen Stellen Metallhydrid. Dies wird β-Phase (Beta-Phase) genannt. Da diese Reaktion exotherm verläuft, muß die Reaktionswärme abgeführt werden, um einen Stillstand der Reaktion zu vermeiden. Da der Phasenübergang von der α- in die β-Phase mit einer starken Änderung des ursprünglichen Metallgitters einher geht, zerfällt das Ausgangsmaterial in feines Pulver.

Metallhydridspeicher der H2-Tankstelle München

Zur Desorption des Wasserstoffs muß die Reaktionswärme, die bei der Beladung des Speichers abgeführt wurde, wieder zugeführt werden. Die Reaktion läuft nun in die entgegengesetzte Richtung ab. Es entstehen wieder die Ausgangsstoffe, Metall und ultrareiner Wasserstoff.

Je nach Anwendungsfall kann man durch verschiedene Legierungen das jeweils beste Druck- oder Temperaturniveau schaffen. Für eine Anwendung im Kraftfahrzeug kommt es zum Beispiel auf eine niedrige Desorptionstemperatur und eine schnelle Be- bzw. Entladung an. Problematisch ist beim KFZ jedoch die geringe massenspezifische Speicherdichte, wodurch die Speicher verhältnismäßig schwer sind.

Im Vergleich zu Druckgasflaschen und Kryospeichern stellt der Metallhydridspeicher eine wesentlich sicherere und kompaktere Speichertechnologie dar.

Grafit Nanofasern - die Zukunft?

An der Northeastern University in Boston soll eine neue revolutionäre Speichertechnik entwickelt worden sein: die Grafit Nanofasern. Wasserstoff wird hierbei zwischen mehreren Lagen Grafitfasern eines Querschnitts von 5-10nm eingelagert. Jedes Gramm Kohlenstoff ergibt ca. 30 Liter Wasserstoff, was bei einem Wasserstofftank von 25 Litern und 87 kg eine Reichweite von bis zu 8000 Kilometern ermöglichen soll. Einziger Nachteil: Die Beladung des Speichers dauert zwischen vier und 24 Stunden und ist nur vier bis fünf Mal möglich.

Vermutlich wird diese hohe Speicherdichte durch den hohen kristallinen Anteil zwischen den Kophlenstoffgitterebenen möglich, wodurch sich die Wasserstoffmoleküle dicht gepackt anlagern können. Genau ist der Anlagerungsprozeß jedoch noch nicht erforscht.

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