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Einsatzmöglichkeiten innovativer Wasserstoffspeicher

Written by E. Paukert

Paper category

Master Thesis

Subject

Engineering

Year

2019

Abstract

Masterarbeit: Die Natur von Wasserstoff Wasserstoff wird im Periodensystem der Elemente durch das chemische Symbol H und die fortlaufende Zahl 1 dargestellt. Es ist das leichteste Element mit einer Molmasse von M = 1,00794 g/mol. Als häufigstes Element im Universum ist Wasserstoff noch nie in Form eines Atoms auf der Erde aufgetreten. Dies liegt daran, dass Wasserstoff hochreaktiv ist und sich schnell mit anderen Atomen verbinden kann. Dabei geht es hauptsächlich eine Bindung mit einem anderen Wasserstoffatom ein und wird zu einem Molekül 𝐻2, diese Form ist jedoch auf der Erde äußerst selten. In den meisten Fällen sind 2 und Sauerstoff, Wasser und Wasser Bestandteil fast aller organischen Verbindungen und vieler anorganischer Hydride (Klell et al., 2018, S. 45). Molekularer Wasserstoff ist unter normalen Bedingungen gasförmig, geruchlos, geschmacklos und farblos, hat die niedrigste Dichte unter allen Elementen und hat eine geringe Volumenenergiedichte. Molekularer Wasserstoff ist hochentzündlich, daher ist bei der Handhabung besondere Vorsicht geboten. 75% des Wasserstoffs in der Luft bilden ein explosives Gemisch, das im Feuer explodiert (Akiba, 2016 S.178). Auch der hohe Proliferationstrend ist ein wichtiges Kriterium, das im Umgang damit zu berücksichtigen ist. Tabelle 2.1 zeigt die wichtigsten physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff bei der Speicherung. 2.4 Speicheranforderungen Die Speicheranforderungen richten sich nach den physikalischen und thermodynamischen Eigenschaften von Wasserstoff: Da Wasserstoff kein Energieträger, sondern ein Energieträger ist, handelt es sich um ein reines Speichermedium. Der Wert von 𝐻2 beträgt 33,33 kWh/kg, was die höchste Gasgewichtsenergiedichte hat, aber die Volumenenergiedichte beträgt unter normalen Bedingungen nur 3 kWh/m3, entspricht also nur einem Drittel der Volumenenergiedichte von Erdgas ( Sterner, 2017), S. 332). Um die gleiche Energiemenge mit Wasserstoff zu speichern, muss das dreifache Speichervolumen bzw. der dreifache Druck des Erdgasspeichers genutzt werden. Wie in Kapitel 2.3 erwähnt, stellt die hohe Entflammbarkeit besondere Sicherheitsanforderungen an Wasserstoffspeichertanks, die im Betrieb gefährlich sind. Weitere Anforderungen an die Wasserstoffspeicherung sind nach Schill (2018): • Das Material hat eine ausreichende mechanische Festigkeit und Haltbarkeit • Vollzyklusbeständigkeit • Gute Thermodynamik, d. h. kein hoher Wärmebedarf für Speicherung und Freisetzung • Schnelle Adsorption und Desorption Kinetik • Guter Wärmeträger • Hohe Volumen- und Gewichtsspeicherdichte (besonders geeignet für den mobilen Einsatz) 2.5 Gängige Wasserstoffspeicher, die diese Anforderungen erfüllen und in der Praxis gängige Wasserstoffspeichertechnologien nutzen, lassen sich grundsätzlich in folgende Kategorien einteilen: physikalische Speicherung, Absorptionsspeicherung und Power-to-X-Verfahren. Unter hohem Druck oder in verflüssigter Form. Ad- und Absorptionsspeicher nutzen die Bindungseigenschaften von Wasserstoff oder die hohe Diffusionsneigung zur Speicherung. Die Power-to-X-Technologie basiert auf dem Prinzip der Energieumwandlung. Der durch Elektrolyse des überschüssigen Stroms gewonnene molekulare Wasserstoff wird in andere Energieformen umgewandelt und gespeichert, so dass die Funktionsweise des ausgewählten Speichersystems kurz beschrieben wird. Dabei wird der Wasserstoff durch Kompression und Abkühlung verflüssigt und anschließend in kryogenen Speichern gespeichert. Die Dichte von Wasserstoff hat sich um das 800-fache erhöht. Tieftemperatur-Wasserstoff (-253°C) wird in hochisolierten Tankwagen transportiert. Am Verteilungsort verdampft der flüssige Wasserstoff zu einem verwertbaren Druckgasprodukt. Dieses Verfahren eignet sich besonders für größere Speichervolumina, bis zu 3700 kg Flüssigwasserstoff, ist jedoch sehr energieintensiv (Kurzweil und Dietlmeier, 2018, S. 488). Die Verflüssigung selbst verbraucht nach dem Stand der Technik etwa 30 % des Energieinhalts von Wasserstoff und ist sehr teuer. Auch Verdunstung oder Leckage können zu Lagerverlusten führen. Je kleiner der Tank und je größer das Flächen/Volumen-Verhältnis, desto größer sind diese Verluste (Zohuri, 2019, S.122). Abbildung 2.1 zeigt einen Flüssigwasserstoff-Speichertank. 2.5.2 Druckspeicherspeicher Druckgasspeicher gehören zur Kategorie der physischen Speicher und sind derzeit die am weitesten verbreiteten mobilen Speicher. Durch adiabatische oder isotherme Kompression wird Wasserstoff auf bis zu 700 bar verdichtet und dadurch die volumetrische Energiedichte erhöht. Dann kann es durch Rohrleitungen oder kleine Druckbehälter transportiert werden (Kurzweil und Dietlmeier, 2018, S. 486) – der Zusammenhang zwischen dem Arbeitsdruck, der volumetrischen Energiedichte steigt mit steigendem Arbeitsdruck und der Gewichtsenergiedichte bei der Arbeitsdruck ist Er erreicht seinen Maximalwert bei 350 bis 400 bar und fällt dann wieder ab. Der Grund dafür ist, die mechanische Stabilität des Tanks zu gewährleisten, und ein höherer Druck erfordert eine stärkere Kohlefaserummantelung. Darüber hinaus spielt auch das Realgasverhalten unter so hohem Druck eine wichtige Rolle. Read Less