Wasserstoff als Energieträger – Eigenschaften, Vor- und Nachteile

Wasserstoff, das häufigste Element im Universum, bietet ein enormes Potenzial als zukunftsfähiger Energieträger. Während es auf der Erde praktisch nur chemisch gebunden vorkommt und aus Verbindungen wie Wasser gewonnen werden muss, eröffnet Wasserstoff neue Perspektiven für eine nachhaltige Energieversorgung. Erfahren Sie mehr über die faszinierenden Eigenschaften, Vor- und Nachteile dieses vielseitigen Elements.

 

Eigenschaften von Wasserstoff

Wasserstoff ist nicht nur das leichteste aller chemischen Elemente (14 x leichter als Luft) – es ist auch ein farbloses, ungiftiges, geruchloses und nicht krebserregendes Gas. Zudem verursacht Wasserstoff keinen Treibhauseffekt und ist leicht abbaubar, was ihn zu einer umweltfreundlichen Option macht. Anders als brennbare Stoffe wie Acetylen entzündet sich Wasserstoff nicht selbst, zerfällt nicht und oxidiert nicht. Dadurch wird er weder zum Brandbeschleuniger noch zu einer ätzenden oder radioaktiven Substanz. Wasserstoff verunreinigt kein Wasser und schädigt weder die Natur noch die Umwelt. Im Freien verflüchtigt sich austretender Wasserstoff schnell nach oben.

Eine bemerkenswerte Eigenschaft des Wasserstoffs ist seine hohe Diffusionsfähigkeit. Er kann in andere Medien eindringen und beispielsweise die Wasserstoff-Versprödung bei Metallen verursachen. Dies ist ein Aspekt, der bei der Verwendung von Wasserstoff berücksichtigt werden muss.

Wasserstoff ist in Verbindung mit Sauerstoff brennbar und kann sowohl in Verbrennungskraftmaschinen als auch in Brennstoffzellen effizient genutzt werden. In Verbrennungsmotoren erfolgt die Verbrennung „heiß“, während Brennstoffzellen den Wasserstoff „kalt“ verbrauchen. In beiden Fällen wird Wasserstoff rückstandsfrei verbrannt, wodurch Emissionen minimiert werden.

Obwohl Wasserstoff ein brennbares Gas ist, ist seine Entzündungsgefahr im Vergleich zu herkömmlichen Kraftstoffen relativ gering. Reiner Wasserstoff besitzt eine hohe Selbstentzündungstemperatur von 585°C, während beispielsweise Benzin bereits bei rund 360°C oder Diesel bei etwa 230°C entzündlich ist. Die Mindestzündenergie von Wasserstoff ist mit nur 0,016 mJ sehr niedrig, sodass selbst geringe Funken oder Reibung von Textilien eine Zündung auslösen können.

 

Abbildung 1: Zündbereiche von Kraftstoffen (Quelle: Shell Wasserstoffstudie 2017)

 

Es ist wichtig zu beachten, dass Wasserstoff ein breites Konzentrationsspektrum hat, in dem er brennbar ist. Die untere Explosionsgrenze liegt bei 4 Vol.% und die obere Explosionsgrenze bei 77 Vol.%. Diese Eigenschaft macht eine sorgfältige Handhabung und Lagerung von Wasserstoff erforderlich, um mögliche Risiken zu minimieren.

Eine weitere bemerkenswerte Eigenschaft des Wasserstoffs ist seine maximale Flammengeschwindigkeit. Mit 346 m/s verbrennt Wasserstoff etwa achtmal schneller als Methan, das eine Flammengeschwindigkeit von 43 m/s aufweist. Dies erklärt die Tendenz zu hohen Brenngeschwindigkeiten, Temperaturen und Drücken bei Wasserstofffeuer. Deshalb ist es entscheidend, bei der Nutzung von Wasserstoff strenge Sicherheitsstandards einzuhalten.

Wasserstoff bietet viele Vorteile als Energieträger, darunter seine umweltfreundliche Natur, hohe Energiedichte und vielseitige Anwendungsmöglichkeiten. Durch seine saubere Verbrennung oder Nutzung in Brennstoffzellen kann Wasserstoff dazu beitragen, den Übergang zu einer nachhaltigen Energieversorgung voranzutreiben. Die Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet schreitet unaufhaltsam voran, um die Potenziale von Wasserstoff optimal zu nutzen und die Energiezukunft zu gestalten.

 

Wasserstoff als Energieträger – Vor- und Nachteile

Wasserstoff gilt als vielversprechender Energieträger, der das Potenzial besitzt, Energie effizient zu speichern und zu transportieren. Die Energiedichte spielt dabei eine entscheidende Rolle.

Abbildung 2: Die gravimetrischen (x-Achse) und volumetrischen (y-Achse) Energiedichten verschiedener Kraftstoffe sowie der Lithium-Batterie (Quelle: Thomas Schmidt „Wasserstofftechnik – Grundlagen, Systeme, Anwendung, Wirtschaft“)

Vorteile:

Ein bedeutender Vorteil von Wasserstoff liegt in seiner sehr hohen gravimetrischen Energiedichte. Mit einem Heizwert von 119,9 MJ/kg bzw. 33,33 kWh/kg bietet Wasserstoff eine beeindruckende Menge an Energie pro Kilogramm.

Darüber hinaus kann Wasserstoff mit relativ hohen Wirkungsgraden genutzt werden. Bei der Elektrolyse, der Herstellung von Wasserstoff durch die Spaltung von Wasser mittels Strom, können Wirkungsgrade von 54-84% erreicht werden. Bei der Nutzung von Wasserstoff in Brennstoffzellen liegt der Wirkungsgrad bei etwa 60%. Dabei sind keine weiteren Zwischenschritte erforderlich, was den Prozess effizient und direkt macht.

 

Nachteile:

Ein wesentlicher Nachteil von Wasserstoff ist seine deutlich geringere volumetrische Energiedichte im Vergleich zu Kohlenwasserstoffen. Mit einem Wert von 10,8 MJ/Nm³ bzw. 3,0 kWh/Nm³ nimmt Wasserstoff mehr Raum ein, um die gleiche Menge an Energie zu speichern. Dies stellt eine Herausforderung bei der Handhabung und Lagerung dar.

Die Handhabung von Wasserstoff ist heikel, da er durch viele Metalle diffundieren kann und sie verspröden kann. Dies erfordert besondere Maßnahmen und Materialien, um mögliche Schäden zu vermeiden. Darüber hinaus liegt die Zündgrenze von Wasserstoff bereits bei 4%, was bedeutet, dass schon geringe Konzentrationen von Wasserstoff in der Luft explosiv sein können. Eine sichere Handhabung und Lagerung sind daher von entscheidender Bedeutung.

 

Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass die Infrastruktur für die Nutzung von Wasserstoff noch weitgehend fehlt. Es besteht ein sogenanntes „Henne-Ei-Problem“: Ohne ausreichende Infrastruktur ist die breite Anwendung von Wasserstoff als Energieträger begrenzt, und ohne eine ausreichende Nachfrage wird der Ausbau der Infrastruktur nicht vorangetrieben. Es bedarf daher großer Anstrengungen, um eine passende Infrastruktur für die Produktion, den Transport und die Nutzung von Wasserstoff aufzubauen.

 

Der Heizwert und der Brennwert von Wasserstoff entsprechen dem Betrag seiner Reaktionsenthalpie bei der Reaktion mit Sauerstoff unter Standardbedingungen (25°C, 1013 mbar). Dies ist ein wichtiges Maß für die energetische Leistungsfähigkeit von Wasserstoff und bildet die Grundlage für die Bewertung seiner Einsatzmöglichkeiten.

 

Abbildung 3: Heizwert und Brennwert von Wasserstoff. (ΔH_R = Reaktionsenthalpie, Änderung der Enthalpie im Verlauf einer chemischen Reaktion)

Trotz der Herausforderungen und Nachteile bietet Wasserstoff als Energieträger große Chancen für eine nachhaltige Energieversorgung. Durch weitere Forschung, technologische Fortschritte und den Ausbau der Infrastruktur können diese Nachteile überwunden und die Vorteile von Wasserstoff optimal genutzt werden. Wasserstoff spielt eine bedeutende Rolle bei der Transformation unseres Energiesystems hin zu einer kohlenstoffarmen Zukunft.

 

Herausforderungen bei der Speicherung von Wasserstoff

Die Speicherung von Wasserstoff stellt eine zentrale Herausforderung dar, da Wasserstoff eine geringere volumetrische Energiedichte aufweist als herkömmliche Kohlenwasserstoffe. Das bedeutet, dass bei gleichem Druck und Volumen deutlich weniger Energie in Wasserstoff gespeichert werden kann.

Aufgrund seiner geringen Dichte wird Wasserstoff in der Regel als Druckgas gespeichert. Dies erfordert spezielle technische Behälter, die dem hohen Druck standhalten und den Wasserstoff sicher enthalten können. Austenitische Stähle oder Kunststoff-Liner werden häufig verwendet, um die Anforderungen an die Dichtheit der Speicherbehälter zu erfüllen.

 

Es gibt verschiedene Ansätze zur Speicherung von Wasserstoff:

• Druckspeicher: Wasserstoff kann in Tanks mit Drücken von bis zu etwa 700 bar gespeichert werden. Alternativ können auch Salzkavernen oder ähnliche geologische Formationen zur Speicherung von Wasserstoff genutzt werden. Die Nutzung von hohem Druck ermöglicht eine effiziente Nutzung des begrenzten Volumens, erfordert jedoch entsprechend robuste Behälter und Infrastruktur.
• Verflüssigung durch Kühlung und Kompression: Wasserstoff liegt unter Normalbedingungen gasförmig vor. Um Wasserstoff zu verflüssigen, muss er unter seine kritische Temperatur abgekühlt werden (-239,96 °C bei 13,1 bar oder -252,8 °C bei 1 bar). Dies erfordert einen erheblichen Energieaufwand und kann mit boil-off-Verlusten einhergehen. Boil-off tritt auf, wenn Wärme in den Behälter eindringt und das verflüssigte Wasserstoffgas freigesetzt werden muss, wenn kein unmittelbarer Verbrauch erfolgt. Die Verflüssigung ermöglicht eine höhere Energiedichte, erfordert jedoch komplexe Infrastruktur und sorgfältige Handhabung.
• Speicherung in Metallen oder Metallhydriden: Ein vielversprechender Ansatz ist die Speicherung von Wasserstoff in Metallen wie Palladium oder Metallhydriden. Diese Materialien haben die Fähigkeit, große Mengen an Wasserstoff aufzunehmen und wieder abzugeben. Durch die Steuerung von Temperatur und Druck können die Aufnahme und Freisetzung von Wasserstoff gesteuert werden. Dies ermöglicht hohe Speicherdichten, erfordert jedoch spezielle Materialien und Prozesse.

 

 

Die Speicherung von Wasserstoff ist ein fortlaufendes Forschungs- und Entwicklungsgebiet. Verschiedene Ansätze werden erforscht und weiterentwickelt, um die Herausforderungen zu überwinden und die Effizienz und Sicherheit der Wasserstoffspeicherung zu verbessern. Der Fortschritt auf diesem Gebiet ist von entscheidender Bedeutung, um die Integration von Wasserstoff als Energieträger in verschiedene Anwendungen und Sektoren voranzutreiben und eine nachhaltige Energiezukunft zu ermöglichen.

Mehr zur Speicherung und zum Transport von Wasserstoff finden Sie hier.