Wasserstoff hat mehrere bemerkenswerte Eigenschaften. Er speichert enorme Energiemengen, hat einen Siedepunkt von bis von -252,9 °C und unterscheidet sich in Bezug auf die Energiedichte erheblich 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 Anwendung von Wasserstoff in der Praxis? Anhand verschiedener praxisnaher Beispiele beantworten wir diese Fragen umfassend.
Die Energiedichte von Wasserstoff
Wie bereits in unserem Blog über lüssigen Wasserstoff erläutert, ist Wasserstoff das leichteste Gas im Universum. Das Gas wiegt fast nichts, hat aber eine extrem hohe gravimetrische Energiedichte. Ein Kilogramm Wasserstoff enthält eine enorme Menge an Energie, was ihn zu einem effizienten und sehr leichtgewichtigen Energieträger macht.
Im Gegenzug ist die volumetrische Energiedichte von Wasserstoff besonders gering. Pro Raumeinheit ist der Energiegehalt von Wasserstoff sogar wesentlich geringer als der der meisten anderen Brennstoffe und Energieträger. Folglich erfordert die Speicherung oder Nutzung von Wasserstoff bei Atmosphärendruck und -temperatur einen erheblichen Platzbedarf.
Glücklicherweise gibt es eine Lösung für dieses Problem. Durch Komprimierung oder Verflüssigung von Wasserstoff lässt sich die geringe volumetrische Energiedichte erhöhen. Dadurch wird die Lagerung, der Transport und die Anwendung von Wasserstoff erheblich erleichtert.
Die volumetrische Energiedichte von Wasserstoff in der Praxis
Was bedeutet die volumetrische Energiedichte von Wasserstoff in der Praxis? Die nachstehenden Zahlen und Beispiele verdeutlichen die Auswirkungen:
- Die volumetrische Energiedichte von gasförmigem Wasserstoff bei atmosphärischem Druck beträgt 0,09 kg/m³. Folglich 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, da dies einfach nicht effizient ist.
- Bei einem Druck von 350 bar beträgt die volumetrische Energiedichte von gasförmigem Wasserstoff 26,1 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 Lastkraftwagen mit gasförmigem Wasserstoff, z. B. von Hyzon, verwendet. Ein beladener 55-Tonnen-Lkw benötigt etwa 50-70 kg Wasserstoff, um 500 bis 600 km weit zu fahren.
- Bei einem Druck von 700 bar beträgt die volumetrische Energiedichte von gasförmigem Wasserstoff 42 kg/m³. Dieser relativ hohe Druck wird unter anderem für gasförmige Wasserstoff-Pkw verwendet (wie den Hyundai NEXO, über den wir in unserem jüngsten Blog ‚Wozu wird Wasserstoff verwendet?‘ berichteten). Mit einem 125-Liter-Tank, der 5 kg Wasserstoff enthält, kann ein Pkw etwa 600 km weit fahren.
- In flüssiger Form und bei einer Temperatur von -252,9 °C hat Wasserstoff eine volumetrische Energiedichte von 71 kg/m³. Flüssiger Wasserstoff wird auch als Energieträger für nachhaltige Lastkraftwagen und Flugzeuge verwendet, die sich derzeit in der Entwicklung befinden.
Um etwa 1000 km weit zu fahren, benötigt ein Lkw etwa 80 kg flüssigen Wasserstoff. Dies gilt zum Beispiel für den mit Flüssigwasserstoff betriebenen Daimler GenH2, über den wir in dem oben erwähnten Blog ausführlich berichtet haben.
Auch für Flugzeuge bietet Flüssigwasserstoff ein hervorragendes Potenzial. Denn die Energie in flüssigem Wasserstoff ist so hoch und Wasserstoff als Kraftstoff ist viel leichter als Kerosin. Dies ist ein großer Vorteil für Flugzeuge.
Allerdings ist das Volumen von flüssigem Wasserstoff viel größer als das von Kerosin. Um die gleiche Gesamtenergiemenge an Bord zu transportieren, benötigt man das Vierfache an Flüssigwasserstoff im Vergleich zu Kerosin.
Glücklicherweise gibt es Möglichkeiten, den Kraftstoff effizienter zu nutzen. So sind beispielsweise Brennstoffzellen effizienter als Benzinmotoren, und Supraleitung macht sie sogar noch wirtschaftlicher. Durch die Anwendung dieser Techniken ist es nicht immer notwendig, eine große Menge Wasserstoff an Bord zu nehmen.
Besondere Infrastrukturen
Die folgende Tabelle zeigt die Energiedichte von Wasserstoff im Vergleich zu einigen anderen (flüssigen) Gasen wie Biodiesel, Diesel und LNG. Der Unterschied liegt auf der Hand: Die gravimetrischen und volumetrischen Energiedichten von Wasserstoff sind kaum mit denen der meisten anderen Gase vergleichbar.
Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften hinsichtlich der Energiedichte unterscheidet sich der Einsatz von Wasserstoff von dem anderer Brennstoffe und Energieträger und erfordert eine völlig andere Infrastruktur.
Die Lagerung und der Transport von Wasserstoff unter atmosphärischen Bedingungen sind äußerst ineffizient, weshalb die Substanz fast immer verflüssigt oder unter hohen Druck gebracht wird. Dadurch rücken die Moleküle enger zusammen, was die Energie pro Volumen erhöht und das Gas für die Lagerung, den Transport und die Anwendung noch interessanter macht.
Wie in unserem früheren Blog über Wasserstoff-Transferleitungen ausführlich 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 Transferleitungen bestehen aus einem Innenrohr und einem Außenrohr, zwischen denen ein Hochvakuum herrscht. Die Vakuumhülle sorgt für einen extrem hohen Isolationsgrad, während die beiden Rohre zusammen einen doppelten Einschluss bilden, der die Leitung besonders sicher macht.
Demaco ist seit Jahrzehnten führend in der Entwicklung der besten Flüssigwasserstoff-Infrastrukturen. Wir experimentieren mit Prototypen, arbeiten an bahnbrechenden Projekten und demonstrieren Konzeptnachweise für fortschrittliche Projekte und Produkte. Unsere vakuumisolierten Wasserstoffinfrastrukturen haben sich über Jahrzehnte in verschiedenen Projekten bewährt und beweisen, dass die Vakuumtechnologie die Methode der Wahl für das sichere Handling von flüssigem Wasserstoff ist.
Möchten Sie mehr erfahren?
Weitere Informationen über unsere Arbeit finden Sie bei unseren Produkten und Dienstleistungen. Weitere Informationen über flüssigen Wasserstoff finden Sie auf unserer Seite über flüssigen Wasserstoff.