Wasserstoffspeicherung

Wasserstoff ist ein Gas das bei Umgebungsbedingungen eine im Vergleich zu flüssigen Brennstoffen, wie Benzin und Diesel, sehr viel kleinere volumetrische Energiedichte besitzt. Nichtsdestotrotz gibt es verschiedene Arten der Speicherung von Wasserstoff: - als verdichtetes Gas - in flüssiger Form - im Metallhydrid - chemisch gebunden - in Kohlenstoffstrukturen Gasförmiger Wasserstoff kann verdichtet werden, was bei höhern Drücken eine Erhöhung der Energiedichte bewirkt. Eine Verdoppelung des Drucks im Tank bewirkt dabei auch in etwa eine Verdoppelung der speicherbaren Wasserstoffmenge, da auch die Energiedichte in etwa verdoppelt wird. Heutzutage ist es möglich den Wasserstoff bei Drücken von 200 bis 350 bar zu speichern. Trotzdem ist die volumetrische Energiedichte etwa 10fach kleiner als die von Benzin. Dies bedeutet für viele mobile Anwendungen eine begrenzte Reichweite. Einen Kompromiss stellen dabei die Stadtbusse dar, da sie ständig nachgeladen werden können. GM/Opel hat einen Prototypen eines 700 bar Drucktankes vorgestellt und auch andere Autohersteller versuchen Wasserstoffdrucktanks in ihre Brennstoffzellenautos zu integrieren. Der 700 bar Drucktank wurde von GM/Opel in strategischer Zusammenarbeit mit dem Brennstoffzellen-Partner Quantum Fuel Systems Technology Worldwide Inc. entwickelt.

Citaro von DaimlerChrysler.	Quantum H₂-Drucktank.
Flüssiger Wasserstoff darf Temperaturen oberhalb –250°C nicht besitzen, um ein Verkochen des Wasserstoffes zu vermeiden. Die Energiedichte ist im Vergleich zu gasförmigen Wasserstoff wesentlich höher, jedoch ist eine große Menge an Energie notwendig um den Wasserstoff zu verflüssigen und bei diesen tiefen Temperaturen zu halten. Durch diesen hohen Aufwand zur Speicherung und Nachfüllung des Wasserstoffs ist diese Variante nur für große Mengen oder den Transport über weite Strecken sinnvoll. Autohersteller wie BMW oder GM haben solche Flüssigtanks in ihren Autos integriert, sowie einen internen Verbrennungsmotor bzw. eine Brennstoffzelle. Ein wesentlicher Teil der Entwicklung von Wasserstoffflüssigtanks wurde in der Weltraumraketenforschung geleistet, da dort Wasserstoff schon heute der Brennstoff ist.


BMW 700 mit einem Wasserstoffverbrennungsmotor.	GM HydroGen3 brennstoffzellenbetriebenes Auto mit Wasserstoffflüssigtank.

Die Speicherung von Wasserstoff in Metallhydriden (MeH) biete eine etwas höhere volumetrische Energiedichte als bei flüssigem Wasserstoff. Metalllegierungen (basierend auf z.B. Magnesium, Aluminium oder Seltenerdmetallen) absorbieren den Wasserstoff in ihren Metallstrukturen, so dass die Gasmoleküle auf engstem Raum zusammengepackt sind. Wärme wird während des Beladens freigegeben, die beim Entladen wieder benötigt wird. Der wesentliche Nachteil hierbei sind das hohe Gewicht und die hohen Kosten für die Materialien. Weiterhin ist das langsame Befüllen ein beachtliches Problem. Die gravimetrische Dichte ist kleiner als 5 Gew.-%, was bedeutet, dass MeH-Speicher nur dort eingesetzt werden können, wo das Volumen wichtiger ist als das Gewicht des Tanks. Dies ist beispielsweise in einigen portablen elektronischen Geräten oder in speziellen Anwendungen wie Gabelstaplern oder U-Booten der Fall.


Siemens/HDW Brennstoffzellen-U-Boot U-214 mit MeH-Speicher.	Kleine MeH-Speichereinheit bei SRNL, USA.

Chemisch gebundener Wasserstoff (chemische Hydride) sind ähnlich den Metallhydriden. Wie der Name schon sagt, ist der Wasserstoff chemisch in einer Verbindung eingeschlossen. Werden diese Hydride mit Wasser vermischt, produzieren sie Wasserstoff, wie dies beispielsweise Natriumborhydrid, NaBH₄, tut:

NaBH₄ + 2H₂O 4H₂ + NaBO₂

Diese Reaktion ist reversibel und das entstehende Natriumboroxid (NaBO₂) kann zu Natriumborhydrid „wiederaufgeladen“ werden. NaH und LiBH₄ sind weitere Verbindungen die gewöhnlich dafür genutzt werden. Auch wenn die Energiedichte der chemischen Hydride hoch ist, so gibt es doch noch Probleme im gesamten System, was sowohl die Technologie als auch die Speichergröße betreffen.

Kohlenstoffstrukturen können ebenfalls zur Wasserstoffspeicherung genutzt werden. Einige extrem vielversprechende Resultate wurden in den 1990er Jahren an Kohlenstoff-Nanostrukturen vorgestellt. Leider konnten diese Strukturen nicht reproduziert werden und waren in den meisten Fällen wahrscheinlich sogar falsch. Eine andere Möglichkeit ist jedoch die Absorption von Wasserstoff an Kohlenstoffpulver.

Die entgültige Form der Speicherung hängt jedoch von der jeweiligen Anwendung ab. Grosse Drucktanks sind im Allgemeinen problemlos in stationären Anwendungen einsetzbar. Für mobile oder portable Anwendungen ist die Speichergröße ein wesentliches Kriterium. Die Reichweite und die Betriebsdauer stellen dabei die Grenzen für die Mengen an Brennstoff dar und sollten so groß wie möglich sein. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Verfügbarkeit und die Gesamtkosten die eingesetzte Speicherart bestimmen.

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