Transport & Lagerung
Neben den entsprechenden Erzeugungskapazitäten bedarf es auch effektiver Speicher- und Transporttechnologien, um den Wasserstoff für die technische oder energetische Nutzung zu jeder Zeit an jedem Ort verfügbar zu machen. Durch den umfangreichen Einsatz von Wasserstoff in der Industrie, sind entsprechende Technologien bereits seit längerem vorhanden und weitgehend ausgereift. Die Entwicklung neuer Technologien zielt vor allem auf eine Erhöhung der Speicherdichte und somit auf eine Reduzierung der Transportkosten ab (Tab. 3). Es kann zwischen einer rein physikalischen und der chemischen Speicherung des Wasserstoff unterschieden werden. Die gängigsten Methoden werden im Folgenden erläutert.
Tab. 3: Vergleich der Kapazität ausgewählter Wasserstoffspeicher in Bezug auf die Masse bzw. das Volumen des Speichermediums.
Gasförmiger Wasserstoff
Die wohl bekannteste und verbreitetste Speicherform von Wasserstoff basiert auf Druckbehältern wie Gasflaschen. Die Speicherung erfolgt unter Drücken von etwa 200-800 bar. Durch die erforderliche Stabilität der Druckbehälter liegt die Speicherdichte bei etwa 1 kg Wasserstoff in 70-80 kg Behältermasse. Aus diesem Grunde ist die Druckgasspeicherung für den Transport höchst unökonomisch. Weltweit werden rund 1% des produzierten Wasserstoffs in dieser Form gespeichert und transportiert. Ebenfalls etabliert ist der Transport in Rohrleitungen bei Drücken um 70 bar. So betreiben die Chemischen Werke Hüls AG seit 1938 ein Wasserstoffverbundnetz im Rheinland mit einer Länge von etwa 210 km und 18 angeschlossenen Werken. Bei einem Rohrdurchmesser von 80 cm liegt die Durchflußleistung bei 1,3 Mio. m3/h. In der Erdgasindustrie ist die Speicherung in Untertagespeichern Stand der Technik. Verwendung finden hier unterirdische ausgesolte Salzkavernen, poröse Gesteinsschichten, Aquifere und natürliche Hohlräume. Die Eignung von Untertagespeichern für Wasserstoff wurde bereits im Routinebetrieb bei der Speicherung von Stadtgas bestätigt. Z.B. betreiben die Stadtwerke Kiel seit 1971 eine 32000 m3 Gaskaverne für die Speicherung von Stadtgas. Die Kaverne liegt in einer Tiefe von 1330 m und die Speicherung erfolgt bei einem Druck von 80-160 bar. Die Gasverluste liegen bei etwa 1-3% des Speichervolumens pro Jahr.
Flüssigwasserstofflagerung und -transport
Im Zusammenhang mit dem gesteigerten Bedarf der Raumfahrt an flüssigem Wasserstoff als Brennstoff, wurden in den 50er und 60er Jahren industrielle Großanlagen zur Verflüssigung von Wasserstoff entwickelt. Der Aufwand an elektrischer Energie für die Verflüssigung beträgt im Idealfall 10%, im Realfall aber mindestens 20% des Wasserstoffbrennwertes. Die Verflüssigung erfolgt in einem Wasserstoff-Kältekreislauf. Der erforderliche Kältebedarf wird durch Kompression mit anschließender Entspannung in Turbinen zugeführt. Zusätzlich wird meist noch flüssiger Stickstoff (77 K) zur Vorkühlung eingesetzt. Am Ende liegt flüssiger Wasserstoff (20 K) vor, der drucklos in Spezialtanks gelagert werden kann. Als Zwischenlager für flüssigen Wasserstoff eignen sich am besten isolierte Kugelbehälter. Durch ihre geringe Wärmeaustauschfläche liegt die Abdampfrate bei etwa 1,5-2% pro Tag. Die derzeit größten Lagertanks befinden sich im NASA-Weltraumzentrum in Cap Canaveral (USA). Die Kugelbehälter haben ein Volumen von 3800 m3. Der große Vorteil der Lagerung und des Transportes von flüssigem Wasserstoff liegt in der großen Speicherkapazität. So können fast 11 kg Wasserstoff pro 100 kg Speichermediumgewicht gelagert und transportiert werden (Tab. 3). Der Transport von flüssigem Wasserstoff erfolgt heute ausschließlich in Spezialfahrzeugen über Schiene und Straße. Zur Zeit laufen aber Entwicklungen zum Transport mittels Schiffen und in Pipelines. Außerdem ist geplant, den beim Transport abdampfenden Wasserstoff aufzufangen und als Energieträger für die Fortbewegung des Transportgefährtes zu nutzen.
Speicherung in Metallhydriden
Die chemische Speicherung von Wasserstoff kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. In Hinblick auf die Nutzung von Wasserstoff als transportablen Energieträger wird vor allem die Verwendung von Metallhydridspeicher diskutiert. Dabei wird das Vermögen mancher Metalle und Metallegierungen genutzt, atomaren Wasserstoff zu absorbieren und chemisch zu binden. Die Wasserstoffmoleküle werden hierbei an der Metalloberfläche gespalten und die Wasserstoffatome diffundieren anschließend in das Metall, um an Zwischengitterplätzen eingebaut zu werden. Dieser Beladungsvorgang verläuft exotherm: H2 + Metall <-> Hydrid + Wärme Der für die Beladung erforderliche Druck ist abhängig vom eingesetzten Metall bzw. der Metallegierung und der Temperatur. Zur Freisetzung des Wasserstoffs muß mindestens die bei der Beladung freigewordene Wärmemenge wieder zugeführt werden. Abhängig von der für die Be- und Entladung abhängigen Temperatur werden Tief-, Mittel- und Hochtemperaturhydride unterschieden (Tab. 4).
Tab. 4: Eigenschaften von Metallhydridspeichern.
