Speicherung von Energie
Wie sich ein Rohrleitungsnetz zum Transport von Wasserstoff für die Speicherung von Energie nutzen lässt.
Einleitung
Die Energiewende stellt uns vor viele Herausforderungen, insbesondere wenn es um die Speicherung und den Transport erneuerbarer Energien geht. Wasserstoff als Energieträger rückt dabei immer mehr in den Fokus. Eine interessante und zunehmend diskutierte Methode ist die Speicherkapazität von Wasserstoff in Rohrleitungen.
Grundlagen der Wasserstoffspeicherung
Wasserstoff ist ein vielseitiger Energieträger, der durch Elektrolyse – einem Verfahren, bei dem Wasser mithilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird – umweltfreundlich hergestellt werden kann. Zur Speicherung dieses Mediums bieten sich Druckspeicher ideal an. Zurückzuführen ist dies auf die hohe Energiedichte pro Masse (Gravimetrische Energiedichte). Dies bedeute, dass eine signifikante Menge an Energie in einer relativ kleinen Menge Substanz gespeichert werden kann.
Da Tanks oft in der Größe limitiert sind, wird die Speicherkapazität maßgeblich durch den Druck bestimmt, unter dem der Wasserstoff in dem Tank gehalten wird. Beispielsweise werden heutzutage in der Automobilindustrie Drucktanks des Typs 4 genutzt, die einen Betriebsdruck bis 700 bar garantieren.
Eine besondere Herausforderung, die diese Speichermöglichkeit mit sich bringt, liegt in der Materialbeschaffenheit des Tanks und den Eigenschaften des Wasserstoffs an sich. Wasserstoff ist das kleinste existierende Molekül und weist daher eine hohe Diffusionsrate auf. Dies bedeutet, dass bei einem falsch ausgelegten Speicher der Wasserstoff entweicht und der Tank somit undicht ist. Des Weiteren bewirkt Wasserstoff in einigen Materialien eine Versprödung des Werkstoffs (z.B. Stahl), wodurch die Lebensdauer bei einer Falschauslegung herabgesetzt wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Speicher dynamisch belastet wird. Die Wasserstoffversprödung von Materialien ist daher eine technische Hürde, die besondere Aufmerksamkeit erfordert, um die Langzeitstabilität des Systems zu gewährleisten.
Zwischenfazit
Die Wasserstoffspeicherung in Drucktanks bietet eine ideale Möglichkeit der Energiespeicherung. Die wichtigsten Parameter sind hierbei das Volumen sowie die Druckdifferenz. Ein besonderes Augenmerk bei der Auslegung muss auf die Diffusion sowie die Wasserstoffversprödung gelegt werden.
Rohrleitungsnetz zur Speicherung von Wasserstoff
Durch die Limitierung des Tankvolumens wird in vielen Bereichen der Wasserstoffspeicherung versucht den Druck im System zu erhöhen und den Tank an sich widerstandsfähiger auszulegen. Jedoch erhöht die Steigerung des Betriebsdrucks nicht nur die Speicherkapazität, sondern auch die Sicherheitsbedenken.
Bei der Nutzung des Rohrleitungsnetzes verschiebt man aufgrund des viel größeren Volumenpotenzials allerdings die Rahmenbedingung. Strecken von mehreren tausend Kilometern sind hierbei als realistisch anzusehen. Beispielsweise kündigte Robert Habeck, Bundesminister für Wirtschaft und Klimaschutz der Bundesrepublik Deutschland, den Ausbau eines etwa 10.000 km langen Wasserstoffnetzes in Deutschland bis zum Ende des Jahrzehnts an. Durch dieses enorme Volumenpotential hängt die Speicherkapazität im Gegensatz zu herkömmlichen Tanks maßgeblich von der Länge und dem Durchmesser der Rohrleitung ab. Die Druckdifferenz ist hierbei weiterhin nicht zu vernachlässigen, rückt allerdings an zweite Stelle.
Darüber hinaus bietet das Rohrleitungsnetz im Vergleich zu Tanks oder auch elektrischen Speichern eine höhere Flexibilität, um Schwankungen in der Energieproduktion und -nachfrage auszugleichen. Durch die Möglichkeit, Wasserstoff zu verschiedenen Zeiten zu speichern und zu entnehmen, können Überschüsse aus erneuerbaren Energiequellen effektiv genutzt und eine kontinuierliche Energieversorgung sichergestellt werden. Dies ist für die Stabilität des Energienetzes essenziell.
Alleinstellungsmerkmal des fiberior Rohrleitungssystems
Wie bereits erwähnt sind die größten Probleme bei der Auslegung eines Wasserstofftanks oder einer Rohrleitung die Wasserstoffversprödung, die Diffusion sowie die Druckbeständigkeit. Diese konnten wir durch die Auswahl des richtigen Werkstoffs und dem entsprechenden Know-How in der Auslegung des Rohrs lösen. Einerseits können wir durch den verwendeten Polyamid-Werkstoff die Wasserstoffdiffusion minimieren und andererseits durch die verwendeten Verstärkungsfasern den Betriebsdruck der alternativen Rohrleitungssysteme übertreffen. Gleichzeitig erliegen die von uns ausgewählten Werkstoffe keiner Wasserstoffversprödung, was sich vorteilhaft auf die Lebensdauer auswirkt.
Zukunftspotential des Wasserstoffnetzs als Energiespeicher
Um das Potential der Wasserstoffrohrleitung als Energiespeicher der Zukunft besser verstehen zu können, werden im folgenden verschiedene Beispiele herangezogen und mit alternativen Speichermöglichkeiten verglichen:
- Der größte deutsche Offshorewindpark Hohe See leistet eine Tagesproduktion von bis zu 12,5 GWh. Insbesondere bei der Energieerzeugung mit Hilfe solcher Anlagen ist eine flexible Speicherung notwendig, da die Produktion vom Wetter abhängig ist und nicht dem Energiebedarf folgt. Um diese Kapazität abzudecken, wurde eine Versorgungstrasse zwischen Berlin und Leipzig (170 km) mit mittlerem Durchmesser (DN450) gewählt. Die angestrebte Druckerhöhung beträgt 250 bar. Die gewählte Strecke ist auf eine Studie des European Hydrogen Backbone zurückzuführen, die zur Sicherung der Wasserstoffversorgung bis 2040 aufgebaut werden soll. Vergleicht man diese Art der Speicherung mit Tesla Megapack Batteriespeichern, welche die benötigte Flexibilität gewährleisten können, ist von einem deutlichen Mehraufwand auszugehen, da diese für die reine Speicherung zusätzlich aufgebaut werden müssen. Um die benötigte Kapazität aufzubringen, werden 3.277 Packs benötigt. Dies entspricht zusätzlichen Kosten von 5,2 Mrd. €, einer Fläche von 50.000m² und 21t Rohstoffe pro Pack.
- Der Fachbereich Wirtschaft und Verkehr, Ernährung und Landwirtschaft des Deutschen Bundestages stellte Ende 2022 ein Szenario auf in dem an einem durchschnittlichen Wintertag für einen halben Tag der deutsche Strombedarf aus einem Energiespeicher gedeckt werden muss. Um dies in Zahlen zu fassen, kann der Tagesverbrauch einer Stadt wie Hamburg anhand der Einwohnerzahl (7,7 GWh) genutzt werden. Gehen wir auch nun wieder von den gleichen Eckdaten wie zuvor aus (Rohrdurchmesser 450 mm, Druckerhöhung 250 bar) ergibt sich eine benötigte Länge von ca. 100 km. Dies entspricht einer geplanten Versorgungstrasse von Hamburg nach Bremen. Die gleiche Speicherkapazität kann auch über ein Pumpspeicherkraftwerk geliefert werden. Ähnliche Leistung bringt beispielsweise das größte, deutsche Pumpspeicherkraftwerk Goldisthal (8,2 GWh). Über 6 Jahre wurde eine Fläche von 550.000 m² mit einem Invest von 623 Mio. € umgebaut. Auch hierbei müssen die Kosten als zusätzliche Investition deklariert werden.
Fazit
Die Speicherung von Wasserstoff in Rohrleitungen bietet eine vielversprechende Möglichkeit, die Herausforderungen der Energiespeicherung zu bewältigen und die Nutzung erneuerbarer Energien zu maximieren. Trotz der technischen und wirtschaftlichen Herausforderungen, die es zu überwinden gilt, hat diese Methode das Potenzial, eine Schlüsselrolle in der Energiewende zu spielen. Durch kontinuierliche Forschung und Entwicklung kann die Speicherung von Wasserstoff in Rohrleitungen zu einer tragfähigen und nachhaltigen Energielösung für die Zukunft werden.