Wasserstoff speichern/LOHC Flüssig bleiben: Wird der Umgang mit Wasserstoff so einfach wie mit Benzin?

Von Dominik Stephan

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Wasserstoff ist die Lösung aller Defosillierungsversprechen - doch der Umgang mit dem leichten Gas ist aufgrund der geringen Dichte überraschend schwer. Einfacher wäre es, den Stoff in eine Flüssigkeit einzuspeichern, wie es sogenannte Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHCs) versprechen...

Erfolgreicher Abschluss des EU Projects Hystoc, das die patentierte LOHC-Technologie und Demonstrator-Anlagensysteme von Hydrogenious einsetzt.
Erfolgreicher Abschluss des EU Projects Hystoc, das die patentierte LOHC-Technologie und Demonstrator-Anlagensysteme von Hydrogenious einsetzt.
(Bild: Hystoc project)

Mit dem Wasserstoff ist es so eine Sache: Einerseits scheint das leichte Gas als Lösung für nahezu jede Herausforderung der Defossilierung in Frage, andererseits ist das Handling und die Speicherung von Wasserstoff notorisch schwierig. Egal ob unter hohem Druck oder tiefkalt, die Prozesse sind apparativ aufwändig und energieintensiv. Auch ist vielerorts noch gar nicht klar, ob und bis zu welchen Grenzen die bestehende Infrastruktur für den Einsatz mit Wasserstoff geeignet ist.

Was aber, wenn der Wasserstoff am Ort der Erzeugung quasi in einem Trägermedium gebunden werden könnte? Am besten einem, dass flüssig und einfach zu handhaben ist. Eine Möglichkeit dafür ist die Reaktion zu Ammoniak oder Methanol. Allerdings ist die Energiedichte dieser Stoffe niedriger als bei reinem H2 und - falls wieder elementarer Wasserstoff benötigt wird - der Trägerstoff erst wieder unter Energieeinsatz zersetzt werden muss.

Ein Trägermolekül für Wasserstoff muss her

Einfacher wäre es, einen "Träger" zu finden, der Wasserstoff leicht aufnehmen und abgeben kann. Genau das versprechen Liquid Organic Hydrogen Carriers, kurz LOHCs. Diese organischen Substanzen binden Wasserstoff chemisch und kommen daher als Gasspeicher oder Transportmedium in Frage. Der große Vorteil der öligen LOHCs ist, dass sie kaum schwieriger als etwa Diesel, Benzin oder Heizöl zu handhaben wären. Auch vorhandene Infrastrukturen ließen sich so vergleichsweise einfach weiter nutzen, hoffen die Entwickler.Natürlich geht auch das nicht ohne Energieeinsatz, doch durch eine geschickte Reaktionsführung lässt sich dieser auf ein vertretbares Maß begrenzen.

Wasserstoffspeicher im Vergleich
  • Unter Druck: Wie andere Gase kann auch H2 unter Druck gespeichert werden - etwa bei Mobilitätsanwendungen oder in Kavernenspeichern. Bei 700 bar - einer typischen Mobilitätsanforderung - beträgt die Dichte ca. 40 kg/m³ (24 kg/m³ bei 350 bar). Der Energie-Einsatz beim Verdichten ist allerdings erheblich.
  • Tiefkalt: Wasserstoff wird bei -253 ° C flüssig wodurch das Volumen auf etwa ein Fünftel schrumpft. Damit ist Flüssiggas in Kryotanks gut für den Transport geeignet, allerdings muss etwa ein Drittel der speicherbaren Energiemenge bereits für die Verflüssigung aufgewendet werden.
  • Metallhydride: Durch das Einpressen in ein Metall oder eine Legierung kann Wasserstoff in Form eines Metallhydrids gespeichert werden. Das Austreiben erfolgt durch Druckerniedrigung und Wärmezufuhr. Ein Nachteil hierbei ist die hohe Masse und die Lange Dauer der Einspeise-/Abgabevorgänge, trotzdem kommen Metallhydridspeicher etwa auf U-Booten zum Einsatz.
  • LOHC: Liquid Organic Hydrogen Carrier sind organische Substanzen, die Wasserstoff chemisch binden können. Das trifft im Prinzip auf jede ungesättigte organische Verbindung (C-C-Doppel- oder Dreifachbindung) zu, in der(experimentellen) Praxis werden meist Thermalöle eingesetzt, die vergleichsweise einfach zu handhaben sind. Ein Nachteil ist auch hier das Wärmemanagement (Energie wird beim Einspeichern frei, beim Zersetzen benötigt) und die vergleichsweise große Menge an Trägerstoff (aufgrund der geringen Energiedichte).
  • Methanol: Auch Methanol, der einfachste Vertreter der Alkohole, eignet sich als Wasserstoffspeicher, indem Wasserstoff mit Kohlendioxid oder -Monoxid aus der Luft oder Abgasen umgesetzt wird. Auch Methanol lässt sich einfach transportieren, weiterverarbeiten oder Kraftstoffen beimischen, ist aber auf eine Kohlenstoffquelle angewiesen, was bei "grünen" Projekten zum Problem werden kann.
  • Ammoniak: Ammoniak gilt als heißer Kandidat für das Speichern und transportieren von Wasserstoff, nicht zuletzt, da aufgrund der geringen Entflammbarkeit die Explosionsgefahr deutlich niedriger als bei elementarem H2 ist. Ammoniak hat im Gegensatz zum anspruchsvollen Wasserstoffgas bei 20 ° C einen Dampfdruck von lediglich 8,6 bar und wird bei -33 ° C flüssig. Zudem braucht NH3 keine Kohlenstoffquelle. Kann allerdings der Ammoniak nicht direkt verwendet werden, ist auch hier eine endotherme katalytische Umsetzung in Stickstoff und Wasserstoff nötig.

Wie das geht - und welche Rolle die Speicherung in der Wasserstoffwirtschaft der Zukunft haben könnte - erforscht etwa das EU-Projekt Hystoc (kurz für "Hydrogen Supply and Transportation using liquid Organic Hydrogen Carriers") in Finnland. Das Ziel: Eine effiziente Wasserstoff-Wertschöpfungskette von der Erzeugung bis zur Nutzung unter Anwendung von LOHC-Technologien aufzubauen und zu testen.

Der H2-Speicher kommt aus Deutschland

Mit dabei: Wasserstoffspeicher aus Deutschland. Die Firma Hydrogenious aus Erlangen gehört zu den bekanntesten Namen, wenn es um LOHCs geht. Die containerbasierten Wasserstoffspeicher der Erlanger wurden in Langzeitversuchen, zum Teil über zwölf Monate und bei lokalen zweistelligen Minusgraden genutzt, um Gas zu speichern und mit einer Reinheit gemäß ISO 14687:2-2019 für die Verwendung in Brennstoffzellen freizusetzen.

Dafür wurde eine Hydrogenious-Storagebox-10 im finnischen in Kokkola von der Firma Woikoski eingesetzt. Das Unternehmen produzierte den Wasserstoff für den Test und war Betreiber der Storage und der Releasebox. Die Firma speicherte das Gas für den Transport in das flüssige organische Trägermaterial ein und gab den Wasserstoff anschließend in der Releasebox für weitere Tests des VTT frei.

„Trotz der Herausforderungen, die in der fünfjährigen Projektlaufzeit auftraten - nicht nur die Pandemie, sondern auch der Verkauf der Geschäftseinheit, in der die direkte Wasserstofftankstellenanwendung stattfinden sollte, bei Projektpartner Woikoski –, ist das Gemeinschaftsprojekt Hystoc ein sehr erfolgreiches geworden", erklärt Stefan Naser, Chief Operating Officer von Hydrogenious LOHC Technologies. „Aus unserem LOHC-Material wurde Wasserstoff in einer Menge von rund zwei Tonnen gespeichert und freigesetzt. Damit profitieren wir für unsere laufenden Upscaling-Implementierungen ganz klar durch dieses Demonstrationsprojekt.

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Wasserstoffspeicher mit Potenzial für mehr

Auch das beteiligte VTT Technical Research Centre of Finnland in Espoo, das die Wasserstofffreisetzungsanlage betrieb und die Qualität des freigesetzten Wasserstoffs über mehrere Monate analysierte, war mit den Reinheitsanforderungen und dem Anlagenbetrieb zufrieden: So wurde Wasserstoff in der LOHC-Flüssigkeit über eine Entfernung von 500 km zwischen den Teststandorten Kokkola und Espoo transportiert.

An den Versuchen beteiligt war auch die Erlanger Friedrich-Alexander-Universität bzw. das dortige Institut für Chemische Reaktionstechnik CRT. Die Forscher sind besonders von dem neuen LOHC-Materials, das sich noch besser für kalte Umgebungen eignet und eine verbesserte Wasserstofffreisetzungsrate aufweist, angetan. Auch konnte durch die Integration eines elektrochemischen Wasserstoffkompressors (EHC) der aus dem LOHC freigesetzte Wasserstoff in einer Einheit gereinigt und verdichtet werden. Auch die Möglichkeit, mit dem EHC ein Vakuum im Reaktor zu erzeugen, verbessert die Freisetzungsreaktion und ermöglicht aus thermodynamischer Sicht niedrigere Reaktionstemperaturen aufgrund der Verschiebung des chemischen Reaktionsgleichgewichts.

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Generell sind LOHC-Verfahren aufgrund der nötigen Energie-Einsätze dort sinnvoll, wo die bei der Hydrierung, also der Einlagerung von Wasserstoff, entstehende Wärme genutzt und die bei der Dehydrierung benötigte Wärme verfügbar ist - etwa an großen Industriestandorten mit ihren umfangreichen Energiekreisläufen. Kann beispielsweise niederkalorische Abwärme aus einem anderen Prozess genutzt werden und sind die Wege vergleichsweise kurz, steht LOHC wenig im Wege.

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