Welche Wasserstoffspeichertechnologien gibt es? (I) - Physikalisch basierte Speicherung (Gas oder Flüssigkeit)

Welche Wasserstoffspeichertechnologien gibt es? (I) - Physikalisch basierte Speicherung (Gas oder Flüssigkeit)

Die von Industrie und Wissenschaft verwendeten Wasserstoffspeichermethoden können in zwei Typen unterteilt werden:
Physikbasierte Speicherung (gasförmig oder flüssig)
Materialbasierte Speicherung (Wasserstoff interagiert mit Speichermaterialien)

Bei der physikbasierten Speicherung werden üblicherweise zwei Hauptspeichermethoden verwendet; Sie sind gasförmige und flüssige Wasserstoffspeicher.

1.1 Gasförmige Wasserstoffspeicherung

Bei der Gasspeicherung wird Wasserstoff unter Druck gesetzt und gasförmig in speziellen Behältern gespeichert. Abhängig vom Druck kann die Gasspeicherung in Niederdruckspeicherung und Hochdruckspeicherung unterteilt werden. Wasserstoff kann wie Erdgas bei niedrigem Druck in wasserdichten Tanks gespeichert werden. Diese Methode eignet sich für die Speicherung von Gas in großem Maßstab. Da die Dichte von Wasserstoff gering ist, gibt es nur wenige Anwendungen. Die gasförmige Hochdruckspeicherung ist eine gängige und direkte Speichermethode. Durch die Einstellung eines Hochdruckventils kann Wasserstoff direkt freigesetzt werden. Die nominale Hochdruckspeicherung von gasförmigem Wasserstoff ist eine weit verbreitete, einfache und unkomplizierte Methode zur Wasserstoffspeicherung. Die Lade- und Entladegeschwindigkeit ist schnell und kann bei Nenntemperatur durchgeführt werden. Seine Nachteile bestehen jedoch darin, dass ein schwerer druckfester Behälter erforderlich ist, viel Wasserstoffkompressionsarbeit verbraucht wird und unsichere Faktoren wie ein leichtes Austreten von Wasserstoff und eine Explosion des Behälters auftreten.

Die Gasspeicherung stellt hohe Anforderungen an Gastanks. Derzeit werden in Fahrzeugen häufig Wasserstoffspeichertanks (350 bar und 700 bar) aus Kohlenstofffasern vom Typ IV eingesetzt. Um solch hohen Drücken standzuhalten, muss das Tankmaterial sehr fest sein, und das Komprimieren von Wasserstoff auf solch hohe Drücke erfordert komplizierte Kompressionsarbeiten, die Kosten sind sehr hoch.

Diese Druckgasspeichermethode wird nicht nur für den Straßentransport, sondern auch für stationäre Anwendungen in Tankstellen zur Verteilung von Wasserstoff und zur stationären Stromerzeugung eingesetzt.

1.2 Speicherung von flüssigem Wasserstoff

Bei einer bestimmten niedrigen Temperatur liegt Wasserstoff in flüssiger Form vor. Daher kann eine kryogene Flüssigwasserstoffspeichertechnologie eingesetzt werden – die kryogene Flüssigwasserstoffspeicherung. Ähnlich wie bei der Luftverflüssigung wird bei der Niedertemperatur-Flüssigwasserstoffspeicherung zunächst komprimierter Wasserstoff komprimiert, bevor er zum Abkühlen durch die Drosselklappe geleitet wird und einer isothermen Joule-Thomson-Enthalpieexpansion unterzogen wird, um etwas Flüssigkeit zu erzeugen. Nachdem die Flüssigkeit abgetrennt ist, wird sie in einem isolierten Behälter mit Hochvakuum gelagert und das Gas setzt den oben genannten Zyklus fort.

Die Speicherung von flüssigem Wasserstoff weist eine hohe volumetrische Energiedichte auf, beträgt die Dichte von flüssigem Wasserstoff bei normaler Temperatur und normalem Druck das 845-fache der von gasförmigem Wasserstoff, und die volumetrische Energiedichte ist um ein Vielfaches höher als die der komprimierten Speicherung. Im Vergleich zu Wasserstoffspeicherbehältern gleichen Volumens ist die Qualität der Wasserstoffspeicherung deutlich verbessert. Die Flüssigwasserstoff-Speichertechnologie eignet sich besonders für Transportsituationen mit begrenztem Speicherraum, wie z. B. Raketentriebwerke für Space Shuttles, Automobilmotoren und Transportfahrzeuge für Interkontinentalflüge. Betrachtet man nur Masse und Volumen, ist die Speicherung von flüssigem Wasserstoff eine äußerst ideale Möglichkeit, Wasserstoff zu speichern. Da die Wasserstoffverflüssigung jedoch eine große Menge an Kühlenergie erfordert, erfordert die Verflüssigung von 1 kg Wasserstoff 4–10 kWh Strom, was die Kosten für die Speicherung und Nutzung von Wasserstoff erhöht. Darüber hinaus müssen Flüssigwasserstoffspeicherbehälter Spezialbehälter mit extrem niedrigen Temperaturen verwenden. Temperatur. Da es bei der Befüllung und Isolierung von Flüssigwasserstoffspeichern leicht zu höheren Verdampfungsverlusten kommen kann, sind die Speicherkosten teurer und die Sicherheitstechnik aufwendiger. Hochisolierte Wasserstoffspeicherbehälter stehen im Fokus der aktuellen Forschung.

1.3 Lagerung einfrieren und komprimieren

Die Gefrier- und Kompressionsspeicherung nutzt die Eigenschaften flüssiger und komprimierter gasförmiger Wasserstoffmethoden zur Wasserstoffspeicherung. Diese Technologie kann die Verdampfungsrate von Wasserstoff reduzieren und eine hohe Energiedichte vollständig aufrechterhalten. Kompressionstanks speichern Wasserstoff typischerweise bei einer Temperatur von -253 °C und einem hohen Druck von etwa 300 bar.