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Wasserstoffspeicherung: Möglichkeiten im Überblick

Wasserstoffspeicherung: Möglichkeiten im Überblick

Wasserstoffspeicherung: Vom Druckgasspeicher bis zum Hybridspeicher

Für die Speicherung von Wasserstoff (H2) stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Die Druckspeicherung und die tiefkalte Flüssigspeicherung von Wasserstoff werden in der Industrie am häufigsten verwendet. Druckwasserstoffspeicherung kann in Stahlbehältern oder Behältern aus einem Verbundwerkstoff erfolgen. Dabei geht die beispielsweise bei Lkw-Transporten, Fahrzeugen und der Wasserstoffspeicherung in der Industrie oder an Wasserstofftankstellen genutzt werden. Das Druckniveau liegt hier zwischen 20 und 90 bar. Um Wasserstoff in Fahrzeugen zu speichern, setzt die Automobilbranche auf den Einsatz von Drucktanks, bei denen das Druckniveau bis zu 70 bar beträgt. Somit besitzen Brennstoffzellenfahrzeuge eine ähnliche Reichweite wie Benziner. Zudem besteht generell die Möglichkeit, Wasserstoff unter äußerst geringem Überdruck (0,0022 bar) in Gasometern zu speichern.

Für ausgesprochen große Mengen von Wasserstoff eignet sich die Speicherung in Salzkavernen. Diese verfügen über ein geometrisches Volumen von 70.000 bis 600.000 m³. Ein ebenfalls großes Potenzial als Wasserstoffspeicher bieten die ebenfalls unterirdischen Porenspeicher. Metallhybride (chemische Verbindungen von Metallen mit Wasserstoff) hingegen werden für die Speicherung von kleineren Mengen Wasserstoff genutzt. Weitere Verfahren, darunter die Speicherung von Wasserstoff in komplexen Hybriden oder die Physisorption von Wasserstoff in porösen Materialien, werden aktuell noch erforscht oder finden nur in Nischenbereichen Anwendung.  

Wasserstoff ist ein Thema mit vielen Facetten – angefangen von der Herstellung, über den Transport und die Speicherung bis hin zur Nutzung. Mit unserer Kompetenz, Know-How und langjähriger Erfahrung sind wir ein unabhängiger Partner für Sicherheit und Gefahrenabwehr, indem wir verschiedenen Aspekte der Wasserstofftechnologie prüfen, inspizieren und zertifizieren können.

Druckgasspeicherung von Wasserstoff

Die Erdgasspeicherung ist eng mit der Zukunft der Wasserstoffspeicherung verbunden, da sich entsprechende Speicher für Erdgas auch für Wasserstoff nutzen lassen. Die Speicherung von Wasserstoff erfolgt unter hohem Druck in spezifischen Behältern sowie unter extremer Kühlung in Flüssiggasspeichern. Großes Potenzial bietet zudem die unterirdische Druckgasspeicherung von Wasserstoff. Zum Hintergrund der Erdgasversorgung: Deutschland verfügt nur über geringe Erdgasvorkommen und muss 80 % seines Bedarfs importieren. Vor dem Hintergrund einer zuverlässigen Energieversorgung nehmen Gasspeicher daher eine bedeutende Rolle ein. Gewaltige, meist unterirdische Anlagen können jahreszeitliche Bedarfsschwankungen sowie Lieferengpässe ausgleichen. Knapp ein Drittel des deutschen Jahresverbrauchs an Erdgas steht auf diese Weise als Reserve zur Verfügung. Zudem werden Übertagespeicher eingesetzt, um auf lokaler Ebene Verbrauchsspitzen zu managen oder industrielle Bedarfe zu decken.

Oberirdische Wasserstoffspeicherung: Stationäre und mobile Druckbehälter

Zur oberirdischen Druckgasspeicherung dienen klein- bis mittelvolumige Gasbehälter in Metallbauweise. Im Boden eingelassene Röhrenspeicher ermöglichen hohe Nenndrücke und die Speicherung größerer Gasmengen. Für die Speicherung von Wasserstoff kommen spezifische Hochdruckbehälter zum Einsatz. Zur Speicherung wird Wasserstoff aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften unter hohem Druck verdichtet, in manchen Anwendungen mit bis zu 1000 bar. Flüssiger Wasserstoff (LH2 = Liquid Hydrogen) erfordert eine Lagertemperatur von -253 °C, wofür größere Behälter mit leistungsfähiger Isolierung nötig sind.

Gasförmiger und unter hohem Druck komprimierter Wasserstoff (CGH2= Compressed Hydrogen) wird in zylindrischen Behältern aus Stahl gespeichert bzw. gelagert und transportiert, wobei in Brennstoffzellenfahrzeugen als Wasserstoffspeicher leichtere, kohlefaserummantelte Behälter aus Aluminium oder Kunststoff zum Einsatz kommen. Darüber hinaus lässt sich Wasserstoff für Kleinanwendungen in Metallhybridspeichern oder im großen Umfang auch in flüssigen Trägermedien lagern (LOHC = Liquid Organic Hydrogen Carrier).

Unterirdische Druckgasspeicherung von Wasserstoff

Im Bereich der geologischen Möglichkeiten zur Druckgasspeicherung können sowohl die Hohlräume von Salzstöcken (Kavernen) als auch schwerer zugängliche „Porenräume“, von ehemalige Gas- und Öllagerstätten, sowie wasserführende Aquifere für die Wasserstoffspeicherung genutzt werden. Dabei ist zu beachten, dass das Speichervolumen eines Untergrundspeichers nur zum Teil genutzt werden kann.

Dabei ist zu beachten, dass das Speichervolumen eines Untergrundspeichers nur zum Teil effektiv genutzt werden kann. Zur Erhaltung der mechanischen Eigenschaften des Reservoir-Gesteins sowie zum optimalen Betrieb während der Ein- und Ausspeicherung des Gases muss ein bestimmter Mindestdruck im Reservoir gehalten werden. Der Anteil des Gases, der zur Erhaltung dieses „minimalen Betriebsdrucks“ benötigt wird und somit effektiv nicht verwendet werden kann, wird „Kissengas“ genannt. Den Anteil des Gases, der jederzeit ein- und ausgespeichert werden kann, nennt man „Arbeitsgas“. Der relative Anteil von Kissengas zu Arbeitsgas kann sich je nach Art des Speichers stark unterscheiden.

Wasserstoffspeicherung in Kavernenspeichern 

Im Zuge des Auf- und Ausbaus der Wasserstoffwirtschaft können unterirdische Wasserstoffspeicher einen wichtigen Beitrag zur stabilen Versorgung mit erneuerbaren Energien leisten. In Hohlräumen von Salzstöcken gelegene Kavernenspeicher sind beispielsweise für Erdgas bereits als Speicher bewährt. Gleichzeitig sind sie Teil einer Infrastruktur, die noch deutlich wachsen muss, um Wasserstoff in relevanten Größenordnungen zu speichern und bedarfsgerecht nutzbar zu machen. Erste Forschungskavernen für Wasserstoff dienen aktuell dem Aufbau von Modellregionen, in denen grüner Wasserstoff mit Hilfe von Power-to-Gas-Technologien gewonnen, gespeichert und distribuiert werden kann.

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So funktionieren Kavernenspeicher: Jetzt über die Speicherung von Wasserstoff in Kavernen in einer Infografik informieren.

 

Wasserstoffspeicherung mit Kavernenspeichern erlaubt zudem einen schnellen Zugriff auf die gespeicherten Vorräte, wobei eine durchschnittliche Kaverne mit 60 m Durchmesser und 300 m Höhe ein Arbeitsgasvolumen von 100 Millionen Normkubikmeter erreicht. Im Fall von Wasserstoff entspräche dies bei einem Fülldruck von 175 bar einer Energiemenge von 300 GWh. Angesichts dieser Zahlen kann die Umrüstung bestehender und die Erstellung neuer Kavernenspeicher die Nutzung von Wasserstoff im großen Maßstab fördern. Dabei muss die Wasserstoffspeicherung in Salzkavernen dieselben Anforderungen erfüllen, die auch an Erdgaskavernen gestellt werden:

  • Ausreichende Leistung, um saisonale und tageszeitliche Bedarfsschwankungen ausgleichen zu können
  • Fähigkeit zur Deckung von Lastspitzen (Peak Shaving)
  • Wirtschaftlichkeit des Speicherbetriebs

In Großbritannien und den USA werden Salzkavernen schon seit geraumer Zeit für die Speicherung von Wasserstoff genutzt. In Deutschland entstehen zurzeit erste Wasserstoff-Forschungskavernen als vielversprechende Reallabore einer sektorgekoppelten Energieinfrastruktur.

Porenspeicher für die Speicherung von Wasserstoff

Leergeförderte Erdöl- oder Erdgaslagerstätten oder auch wasserleitende Aquifere bestehen aus Gesteinsschichten, die über natürliche Hohlräume und die geeignete Durchlässigkeit verfügen. Zudem sind sie zur Oberfläche natürlich abgedichtet. Diese Porenspeicher können große Mengen Gas aufnehmen, das jedoch nur mit hohem Druck eingespeichert und nur langsam wieder ausgespeichert werden kann, da es immer wieder durch das poröse Gestein strömen muss.

Porenspeicher eignen sie sich vor allem für den Ausgleich saisonaler Bedarfsschwankungen. Das Fassungsvermögen von Porenspeichern wird von keinem anderen Speicher übertroffen: So erstreckt sich der größte Erdgasspeicher Westeuropas im niedersächsischen Rehden über drei ausgeförderte Erdgaslagerstätten in einer Tiefe von 2 km und bietet auf einer Fläche von 8 km² eine Arbeitsgas-Kapazität von 4 Mrd. Kubikmetern. Somit ist das Potenzial von Porenspeichern auch für die Wasserstoffspeicherung gewaltig.

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Porenspeicher im Detail: In dieser Infografik wird die Wasserstoffspeicherung in Porenspeichern gezeigt.

Feststoffspeicherung von Wasserstoff: Metallhybridspeicher

Mit Blick auf mobile und portable Anwendungen kommt die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff in Metallhybridspeichern in Betracht. Bisher weisen die kompakten Feststoffspeicher eine im Vergleich zu ihrem Eigengewicht noch relativ geringe Speicherkapazität für Wasserstoff auf. Ihr niedriger Speicherdruck bietet allerdings Vorteile, um Wasserstoff sicher zu speichern. Darin unterscheiden sich diese Wasserstoffspeicher in besonderem Maß von den gängigen Hochdruck- oder Kryospeichertechnologien. Als Teil einer durchgängig etablierten Wasserstoffinfrastruktur können weiterentwickelte Metallhybridspeicher künftig vermehrt zum Einsatz kommen – etwa als Brennstoffzellen-Systemkomponente in Fahrzeugen oder in brennstoffzellengetriebenen Kleingeräten wie tragbaren Computern.

Wasserstofftankstellen und Füllstationen

Wasserstofftankstelle Wasserstofftankstelle Wasserstofftankstelle Wasserstofftankstelle
Wasserstofftankstelle

Die Wasserstoffbetankung von Straßen- und Schienenfahrzeugen erfolgt über Füllstationen, die eine Versorgung auf verschiedenen Druckniveaus ermöglichen. Neben stationären H2-Tankstellen existieren auch mobile Betankungsstationen für Wasserstoffautos. Von Bedeutung ist die Technologie für die Wasserstoffspeicherung und -verdichtung, die in Abhängigkeit vom Ausgangszustand des Wasserstoffs (flüssig oder gasförmig) sowie von Anzahl und Typ der zu betankenden Fahrzeuge gewählt wird. Eine besondere Herausforderung stellen die hohen Druckniveaus zudem an die Dichtungstechnik von Tanksystemen.

Im Rahmen des Aufbaus einer Infrastruktur für Wasserstoff entsteht in Deutschland ein Netz stationärer Wasserstofftankstellen, die eine Betankung von Straßenfahrzeugen mit gasförmigem Wasserstoff ermöglichen. Hinzu kommen Kleinanlagen, etwa für die Betankung von Brennstoffzellen-Gabelstaplern, mobile Wasserstofftankstellen für eine spezifische lokale Bedarfsdeckung sowie Füllstationen für brennstoffzellenbetriebene Züge. Die meisten Füllstationen werden von Wasserstoff-Trailern mit Wasserstoff beliefert, manche verfügen über einen Elektrolyseur, in dem vor Ort Wasserstoff produziert wird.

Gasförmigen Wasserstoff an der H2-Tankstelle tanken

Gasförmiger Wasserstoff wird in Füllstationen an H2-Tankstellen in Druckbehälterbündeln, Hochtanks oder unterirdischen zylindrischen Stahltanks. gelagert. Zur Betankung reduzieren Kompressoren das Volumen des Wasserstoffs und verdichten ihn auf die erforderlichen Druckniveaus. Aktuell sind die meisten Wasserstofftankstellen darauf ausgelegt, Pkw innerhalb von etwa drei Minuten mit 700 bar zu betanken. Füllstationen mit entsprechend großen Kompressoren können auch Nutzfahrzeuge mit 700 bar versorgen.

Um Wasserstoffbusse und Wasserstoff-Lkw zu betanken, benötigen Füllstationen einen 350-bar-Zapfpunkt, während die Druckbehälter von Zügen mit 250 bar gefüllt werden. Eine wichtige Rolle im Prozessablauf einer Füllstation übernimmt auch das Thermomanagement. Wasserstoff wird für die gasförmige Betankung auf eine Temperatur von -40 °C gebracht. Bei der Lagerung im Gaszustand geschieht dies durch Kühlgeräte, bei Lagerung im Flüssigzustand kommt eine Kryopumpe zum Einsatz, die den -253 °C kalten Wasserstoff erwärmt.

Flüssiger Wasserstoff an Wasserstofftankstellen

Während die Speicherung und der Transport von flüssigem Wasserstoff längst gängige Praxis ist, wird sein Einsatz als Energieträger in Fahrzeugen immer noch erforscht. Nach ersten Versuchen mit flüssigwasserstoffbetriebenen Pkw stehen nun vor allem Lkw im Fokus der Fahrzeugentwicklung und der Anpassung von Füllstationen. Hierbei werden Betankungsverfahren getestet, die den Boil-off-Effekt der gasförmigen Betankung vermeiden und auch die komplexe Datenkommunikation zwischen H2-Tankstelle und Fahrzeug überflüssig machen. Mit „Boil-off“ wird das kontinuierliche Abdampfen bezeichnet, das entsteht, wenn Wärme in Tanks mit flüssigem Wasserstoff eindringt.

Der im Vergleich zu gasförmigem Wasserstoff deutlich kältere Flüssigwasserstoff (Temperatur: -253 °C) erfordert eine erheblich verbesserte Isolierung von Druckbehältern und Rohrleitungen. Dafür ermöglicht er aufgrund seiner höheren Energiedichte aber auch die Betankung auf niedrigerem Druckniveau sowie die Verwendung kleinerer und leichterer Tanks bei gleichzeitig größerer Fahrzeugreichweite. Nach Errichtung erster Pilotstationen für die Betankung mit Flüssigwasserstoff und erfolgreicher Testphase könnte somit die Flüssigwasserstofftechnologie zusätzlich zur Dekarbonisierung des Straßenverkehrs beitragen, insbesondere im Bereich des Fernlastverkehrs.

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