Wasserstoff hat mehrere bemerkenswerte Eigenschaften. Es speichert in flüssiger Form enorme Mengen an Energie, hat einen Siedepunkt von bis zu -252,9 °C und unterscheidet sich in seiner Energiedichte deutlich von den meisten anderen Brennstoffen und Energieträgern.
In diesem Blog geben wir einen Überblick über die Energiedichte von gasförmigem und flüssigem Wasserstoff. Was macht die Energiedichte von Wasserstoff so einzigartig? Und was bedeutet das für die praktische Anwendung von Wasserstoff? Anhand verschiedener Praxisbeispiele werden diese Fragen umfassend beantwortet.
Die Energiedichte von Wasserstoff
Wie bereits in unserem Blog über flüssigen Wasserstoff erläutert, ist Wasserstoff das leichteste Gas im Universum. Wasserstoffgas wiegt fast nichts, hat aber eine extrem hohe gravimetrische Energiedichte (MJ/kg). Ein Kilogramm Wasserstoff enthält eine enorme Menge an Energie, was ihn zu einem effizienten und leichten Energieträger macht. Die volumetrische Energiedichte (MJ/m³) von Wasserstoff wiederum ist besonders niedrig. Pro Volumen ist der Energiegehalt von Wasserstoff sogar deutlich geringer als der der meisten anderen Kraftstoffe und Energieträger.
| Energiedichte: | MJ/kg | MJ/L |
|---|---|---|
| Europäischer Gasmix (1 bara und 20 °C) | 32-35 | 0,038-0,042 |
| Gasförmiger Wasserstoff (1 bara und 20 °C) | 142 | 0,010-0,011 |
| Flüssiggas (1 Bara und 20 °C) | 49 | 27 |
| LNG (1 Bara und 110 K) | 53 | 22 |
| Benzin (1 bara und 20 °C) | 46 | 34 |
| Diesel (1 Bara und 20 °C) | 46 | 38 |
| Kerosin (1 Bara bei 20 °C) | 43-50 | 35 |
| Ammoniak | 16.9 | 11.5 |
| Stein- und Braunkohle (1 bara en 20 °C) | 23 | 34-43 |
| Energiedichte: | MJ/kg | MJ/L |
|---|---|---|
| Europäischer Gasmix (1 bara und 20 °C) | 32-35 | 0,038-0,042 |
| Gasförmiger Wasserstoff (1 bara und 20 °C) | 142 | 0,010-0,011 |
| Flüssiggas (1 Bara und 20 °C) | 49 | 27 |
| LNG (1 Bara und 110 K) | 53 | 22 |
| Benzin (1 bara und 20 °C) | 46 | 34 |
| Diesel (1 Bara und 20 °C) | 46 | 38 |
| Kerosin (1 Bara bei 20 °C) | 43-50 | 35 |
| Ammoniak | 16.9 | 11.5 |
| Stein- und Braunkohle (1 bara en 20 °C) | 23 | 34-43 |
Die Speicherung und Nutzung von Wasserstoff bei Atmosphärendruck und -temperatur erfordert daher einen erheblichen Platzbedarf.
Glücklicherweise gibt es eine Lösung für dieses Problem. Durch Komprimierung oder Verflüssigung von Wasserstoff lässt sich die geringe volumetrische Energiedichte erhöhen. Dies erleichtert die Speicherung, den Transport und die Anwendung von Wasserstoff erheblich.
| Energiedichte: | MJ/kg | MJ/m³ |
|---|---|---|
| Gasförmiger Wasserstoff (700 bara und 20 °C) | 142 | 4.500-5.300 |
| Flüssiger Wasserstoff (1 bara und 20 K) | 142 | 8.500 |
| Energiedichte: | MJ/kg | MJ/m³ |
|---|---|---|
| Gasförmiger Wasserstoff (700 bara und 20 °C) | 142 | 4.500-5.300 |
| Flüssiger Wasserstoff (1 bara und 20 K) | 142 | 8.500 |
Die volumetrische Massendichte von Wasserstoff in der Praxis
Was bedeutet die volumetrische Massendichte von Wasserstoff in der Praxis? Die nachstehenden Zahlen und Beispiele verdeutlichen die Auswirkungen:
- Die volumetrische Massendichte von gasförmigem Wasserstoff bei Atmosphärendruck und 20°C beträgt 0,083 kg/m³. Daher wird unter normalen Bedingungen viel Platz für die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff benötigt. Daher wird Wasserstoff bei Atmosphärendruck praktisch nicht in gasförmiger Form gespeichert oder transportiert, weil dies einfach nicht effizient ist.
- Bei einem Druck von 350 barg und 20 °C beträgt die volumetrische Massendichte von gasförmigem Wasserstoff 23,715 kg/m³. Dieser erhöhte Druck ermöglicht es, wesentlich mehr gasförmigen Wasserstoff auf gleichem Raum zu speichern. Der Druck von 350 bar wird in den Tanks von LKWs mit gasförmigem Wasserstoff verwendet, zum Beispiel in denen von Hyzon. Ein beladener 55-Tonnen-Lkw benötigt für eine Strecke von 500 bis 600 km etwa 50-70 kg Wasserstoff.
- Bei einem Druck von 700 barg und 20 °C beträgt die volumetrische Massendichte von gasförmigem Wasserstoff 39,75 kg/m³. Dieser relativ hohe Druck wird unter anderem für gasförmige Wasserstoff-Pkw (wie den Hyundai NEXO, über den wir kürzlich in unserem Blog„Wofür wird Wasserstoff verwendet?“ berichtet haben) verwendet. Mit einem 125-Liter-Tank, der 5 kg Wasserstoff enthält, kann ein Auto etwa ±600 km weit fahren.
- In flüssiger Form und bei einer Temperatur von -252,9 °C hat Wasserstoff eine volumetrische Massendichte von 70,9 kg/m³. Flüssiger Wasserstoff wird auch als Energieträger für nachhaltige Lastwagen und Flugzeuge verwendet, die sich derzeit in der Entwicklung befinden.
Für eine Strecke von etwa 1000 km benötigt ein Lkw etwa 80 kg flüssigen Wasserstoff. Das gilt zum Beispiel für den mit Flüssigwasserstoff betriebenen Daimler GenH2, über den wir in dem bereits erwähnten Blog ausführlich berichtet haben.
Auch für Flugzeuge bietet flüssiger Wasserstoff ein hervorragendes Potenzial. Denn die Energie des flüssigen Wasserstoffs ist so hoch und Wasserstoff als Kraftstoff ist viel leichter als Kerosin. Dies ist ein großer Vorteil für Flugzeuge.
Das Volumen des flüssigen Wasserstoffs ist jedoch viel größer als das Volumen des Kerosins. Um die gleiche Gesamtenergiemenge an Bord zu haben, benötigt man viermal so viel Flüssigwasserstoff wie Kerosin.
Zum Glück gibt es Möglichkeiten, Kraftstoff effizient zu nutzen. So sind beispielsweise Brennstoffzellen effizienter als Benzinmotoren, und die Supraleitung macht sie noch wirtschaftlicher. Durch die Anwendung dieser Techniken ist es nicht immer notwendig, eine große Menge an Wasserstoff an Bord zu nehmen.
Besondere Infrastrukturen
Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften in Bezug auf die Energiedichte unterscheidet sich die Anwendung von Wasserstoff von der anderer Brennstoffe und Energieträger und erfordert ganz andere Infrastrukturen.
Da die Lagerung und der Transport von Wasserstoff unter atmosphärischen Bedingungen äußerst ineffizient sind, wird der Stoff fast immer verflüssigt oder unter hohen Druck gesetzt. Dadurch rücken die Moleküle enger zusammen, was die Energie pro Volumen erhöht und das Gas für Lagerung, Transport und Anwendung besonders interessant macht.
Wie in unserem früheren Blog über Wasserstoffpipelines beschrieben, sind optimal isolierte Infrastrukturen für flüssigen Wasserstoff unerlässlich. Flüssigwasserstoffinfrastrukturen sind häufig mit einer Vakuumisolierung ausgestattet, um Energieverluste zu vermeiden und die notwendige Sicherheit zu gewährleisten.
Vakuumisolierte Übertragungsleitungen bestehen aus einem Innenrohr und einem Außenrohr, zwischen denen ein Hochvakuum herrscht. Das Vakuumgehäuse bietet einen extrem hohen Isolationswert, während die beiden Rohre zusammen einen doppelten Einschluss bilden, der das Rohr besonders sicher macht.
Demaco ist seit Jahrzehnten führend in der Entwicklung der besten Flüssigwasserstoff-Infrastrukturen. Wir experimentieren mit Prototypen, arbeiten an Pionierprojekten und demonstrieren Konzeptnachweise für fortgeschrittene Projekte und Produkte. Unsere vakuumisolierten Wasserstoffinfrastrukturen haben sich in verschiedenen Projekten über Jahrzehnte bewährt und beweisen, dass die Vakuumtechnologie die Methode der Wahl für die sichere Handhabung von flüssigem Wasserstoff ist.
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Weitere Informationen über unsere Arbeit finden Sie bei unseren Produkten und Dienstleistungen. Weitere Informationen über flüssigen Wasserstoff und die Wasserstoffwirtschaft finden Sie auf unserer Seite über flüssigen Wasserstoff.