Transport und Speicherung von Wasserstoff

Die derzeitige Infrastruktur wird größtenteils mit fossilen Brennstoffen betrieben, die jedoch bei ihrer Verbrennung Schadstoffe ausstoßen, insbesondere Kohlendioxid. Dieses Treibhausgas wird mit der globalen Erwärmung und dem Klimawandel in Verbindung gebracht.

Bei der Verbrennung von Wasserstoff entstehen dagegen harmloser Wasserdampf und etwas Stickoxid (NOx), aber keine Emissionen von Kohlendioxid oder anderen Schadstoffen wie Schwefeldioxid (SOx). Wasserstoff eignet sich außerdem für viele vorhandene Gasturbinen mit Brennkammer, die mit Wasserstoff, Erdgas oder einer Mischung aus beidem betrieben werden können. Bei unsachgemäßer Handhabung wird Wasserstoff jedoch zur Gefahrenquelle.

Wasserstoffmoleküle sind die kleinsten Moleküle aller Elemente und können daher leicht aus Tanks und Pipelines entweichen. Die dadurch entstehende Brand- und Explosionsgefahr ist ein großes Problem. Besondere Aufmerksamkeit muss den Materialien und Verfahren zur Abdichtung dieser Systeme gewidmet werden, beispielsweise Anschlüssen, Dichtungen, Ventilen und sonstigen Abdichtungsvorrichtungen. Um ungewöhnliche Ereignisse wie das Entweichen von Wasserstoff zu erkennen, müssen Geräte zur Umgebungsüberwachung wie Flammwächter und Sensoren für brennbare Gase eingesetzt werden, oder auch Inline-Geräte wie Druck- und Temperatursensoren. Neuere Technologien wie Gasdetektoren auf Infrarotbasis, die häufig bei Erdgasanwendungen verwendet werden, sind aufgrund des zweiatomigen Aufbaus des Wasserstoffmoleküls nicht zum Nachweis von Wasserstoffgas geeignet.

Leckagen entstehen hauptsächlich durch Versprödung, wenn Stahl und andere Metalle Wasserstoffatome aufnehmen. Die Atome können sich zu neuen Wasserstoffmolekülen verbinden, die durch das Metall diffundieren und Blasen bilden. Selbst bei Umgebungstemperatur schwächen sie das Material und führen zu Versprödung und Rissbildung. Deshalb ist es wichtig, diese Risiken durch die Auswahl geeigneter Materialien für die jeweilige Anwendung zu minimieren.

Die sichere Speicherung von Wasserstoff eine Grundvoraussetzung für Fortschritte bei der Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie ist.

Wasserstoff kann physisch als komprimiertes Gas oder als kryogene Flüssigkeit gespeichert werden. Komprimierter gasförmiger Wasserstoff wird üblicherweise in Tanks bei einem Druck von 350 bis 700 bar gelagert. Vollständig flüssiger Wasserstoff kann bei etwa -253 °C ¹ (-423 °F) gelagert werden, kryokomprimierter Wasserstoff bei etwa -233 °C ²  (-387 °F). ³ Die Speicherung im gasförmigen Zustand stellt geringere Anforderungen an die Ausrüstung und ist wesentlich wirtschaftlicher, aber auch die Flüssigspeicherung hat ihre Vorteile, vor allem die viel höhere Energiespeicherdichte.

Flüssiger Wasserstoff wird seit langem in der Raumfahrt als Raketentreibstoff genutzt. Im Weltraum wird Wasserstoff als komprimiertes Gas oder kryogene Flüssigkeit in Gaszylindern, Röhren und Kugeltanks gespeichert. Gasförmiger Wasserstoff wird üblicherweise in Gaszylindern gespeichert. Für die Speicherung von Flüssigwasserstoff werden dagegen kugelförmige Tanks bevorzugt, da sie eine kleinere Oberfläche haben und weniger Wärme aus der Umgebung aufnehmen.

Wasserstoff kann auch in stofflichen Systemen an der Oberfläche von Festkörpern (Adsorption) oder in ihrem Inneren (Absorption) gespeichert werden. Diese Verfahren erfüllen die Anforderungen an die Brennstoffdichte und erhöhen die Prozesssicherheit, da es seltener zu Undichtigkeiten und unkontrollierter Verbrennung kommt.

Für alle Wasserstoffspeichersysteme gelten folgende Sicherheitsmaßnahmen:

• Den Speicher in gut belüfteten Nichtraucherbereichen im Freien aufstellen, in ausreichender Entfernung zu Bauwerken, Fahrzeugen, Wärmequellen, Funkenflug und offenen Flammen
• Speicherbehälter nicht ziehen, rollen oder schieben und vor Herabfallen schützen
• Beim Umgang mit Wasserstoff nur funkensichere Werkzeuge und explosionsgeschützte Geräte verwenden
• Alle Anlagenteile und Rohrleitungen erden
• Wasserstoffsysteme regelmäßig mit Seifenwasser auf Undichtigkeiten prüfen, auf keinen Fall eine offene Flamme verwenden

Die Anforderungen für eine hochdichte Wasserstoffspeicherung stellen Transportsysteme vor große Herausforderungen. Die Energiedichte von Wasserstoff ist deutlich geringer als die von Benzin. Um die gleiche Menge an Energie zu speichern, sind deshalb größere Tanks notwendig. In Fahrzeugen sind Wasserstofftanks im Allgemeinen größer als Erd- und Autogastanks und können einem höheren Druck standhalten.

Durch den zusätzlichen Platzbedarf können Personen und Gegenstände nicht so bequem und platzsparend wie mit Erd- und Autogastanks transportiert werden, und das zusätzliche Gewicht wirkt sich negativ auf die Strecke aus, die ein Fahrzeug mit einer bestimmten Energiemenge zurücklegen kann. Wasserstoffbrennstoffzellen brauchen außerdem mehr Platz als Verbrennungsmotoren, sie sind schwerer und es kann zu Leckagen kommen.

Wasserstoffbetriebene Pkw und Lkw sind bereits erhältlich, weltweit gibt es aber nur eine begrenzte Zahl von Wasserstofftankstellen. Dies macht sie für die meisten Menschen unpraktisch, vor allem nicht für eine tägliche Nutzung. Mit dem weiteren Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur könnte sich dies aber in Zukunft ändern.

Trotz der Nachteile haben wasserstoffbetriebene Pkw und Lkw auch erhebliche Vorteile gegenüber Elektrofahrzeugen. Sie können innerhalb von Minuten statt Stunden aufgetankt werden, und die gespeicherte Energie nimmt nicht mit der Zeit ab. Die Energiespeicherdichte ist um mehr als den Faktor 100 höher als bei Batterien. Dadurch sind die Kraftstoffe viel leichter und kompakter als Batterien. Außerdem sind die für die Herstellung moderner Batterien benötigten Materialien, insbesondere Lithium, knapp, während die Materialien für Wasserstoffbrennstoffzellen im Überfluss vorhanden sind. ⁴

Nach der Produktion kann gasförmiger Wasserstoff vor Ort verbraucht, komprimiert und in nahegelegene Speichertanks geleitet werden. Er kann auch komprimiert und für den Transport in Gaszylinder gefüllt oder für eine höhere Speicherdichte und lange Transportstrecken verflüssigt werden. Wasserstoff wird üblicherweise per Pipeline, Lkw, Bahn oder Schiff transportiert. Pipelines werden meist für nahegelegene Produktionsanlagen und Verbraucher oder großräumiger in Gegenden genutzt, in denen eine stabile langfristige Nachfrage erwartet wird.

Über kurze Entfernungen erfolgt der Transport meist per Lkw, entweder in langen Hochdruckbehältern auf Tube-Trailern oder in Tankwagen für Flüssigwasserstoff bei kryogenen Temperaturen. Über mittlere Entfernungen wird Flüssigwasserstoff auf der Schiene transportiert, für den Langstreckentransport nehmen Schiffe große Ladungen auf.

Es wird weiterhin an praxistauglichen, kompakten Wasserstoffspeichersystemen geforscht, die sicher in Fahrzeugen und festen Anlagen eingesetzt werden können. Zusammen mit einer zukunftsfähigen Wasserstoffproduktion werden Entwicklungen bei Transport und Speicherung dazu beitragen, die Wasserstoffwirtschaft voranzutreiben.

Die Industrie möchte ihre Kohlendioxidemissionen durch den Einsatz von Wasserstoff und anderen alternativen Kraftstoffen verringern. Angemessene Schulungsmaßnahmen sind äußerst wichtig, um die Sicherheit bei Konstruktion, Installation, Betrieb und Wartung dieser Systeme zu gewährleisten.