Wasserstofftransport

Ähnlich wie bei fossilen Brennstoffen, ist Wasserstoff als erneuerbare Energiequelle nicht überall verfügbar. Transportmöglichkeiten werden benötigt um den Energielieferant der Zukunft auch der Industrie weltweit zugänglich zu machen. Als Unternehmen sehen wir im Wasserstofftransport für uns eine Möglichkeit, neue Geschäftsbereich für die HHLA zu erschließen. In diesem Artikel erklären wir die Wasserstofftransportoptionen mit komprimiertem Wasserstoff, flüssigem Wasserstoff, Ammoniak, Methanol und LOHC.

Nach der Wasserstoff Elektrolyse, also der Spaltung von Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2), liegt der Wasserstoff im gasförmigen Aggregatzustand vor. Das Problem an dieser Erscheinungsform des Wasserstoffs ist, dass seine volumetrische Energiedichte sehr niedrig ist.

Die volumetrische Energiedichte eines Stoffes ist ein Maß des Energiegehaltes pro Volumeneinheit. Für Wasserstoff bei Normalbedingungen (0°C und Atmosphärendruck) bedeutet das, dass ein Kubikmeter, gefüllt mit gasförmigem Wasserstoff, etwa so viel Energie hat, wie ein Wasserglas gefüllt mit Diesel. Bei dem Transport von Energieträgern wie Wasserstoff möchte man möglichst viel Energie in einem möglichst kleinen Raum transportieren, da das die benötigte Anforderung an das Transportvolumen der Transportmittel und somit die Kosten drastisch reduziert.

Wasserstoff und Diesel im Vergleich. Nun muss das Eckige in das Runde, um den Wasserstoff wirtschaftlich zu transportieren.

Um dieses Ziel zu erreichen – möglichst viel Energie in einem möglichst kleinen Raum zu transportieren - wurden verschiedene Transportoptionen für den Wasserstoff entwickelt. Häufig wird bei diesen Transportoptionen der Wasserstoff nicht in seiner reinen Form als Gas transportiert, sondern in eine Flüssigkeit umgewandelt. Diese unterschiedlichen Optionen mit ihren Vor- und Nachteilen schauen wir uns nun genauer an, danach betrachten wir den Prozess dieser Transportoptionen - von der Elektrolyse des Wasserstoffs bis zur Nutzung.

Das Wasserstoff-Innovationscluster

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Transportoptionen für Wasserstoff

Da sich die Prozesse der verschiedenen Transportoptionen - LOHC, Ammoniak, Methanol, flüssiger Wasserstoff, komprimierter Wasserstoff - in einigen relevanten Punkten unterscheiden, stellen wir die einzelnen Transportoptionen im Detail vor.

Fünf Möglichkeiten für den Wasserstofftransport

Für verschiedene Prozesse in der Metallverarbeitungsindustrie, in Raffinerien und in der chemischen Industrie wird Wasserstoff in gasförmiger Form gebraucht und bereits seit Jahrzehnten eingesetzt. Um diesen Bedarf zu decken, wird Wasserstoff derzeit mit Hilfe eines Dampfreformers meist vor Ort aus fossilen Energieträgern hergestellt und gasförmig in den Prozess eingebracht. Bei kleineren Anwendungen und in der Forschung wird komprimiertes Gas per LKW transportiert und in Druckgasspeichern gelagert. Die Komprimierung des gasförmigen Wasserstoffs findet nach der Herstellung statt und verdichtet den Wasserstoff auf bis zu 700 bar. Dadurch wird die volumetrische Energiedichte des Wasserstoffs erhöht. Da diese Transportoption des Wasserstoffs Stand der Technik ist, besteht bereits eine Infrastruktur, welche für den steigenden Wasserstoffbedarf im Rahmen der Dekarbonisierung jedoch ausgeweitet werden müsste. 

Außerdem stellen die hohen Drücke erhöhte Anforderungen an das Material, sodass der komprimierte Wasserstoff in dickwandigen, schweren Behältern transportiert werden muss. Das macht den Transport von großen Mengen über lange Strecken mit den mobilen Transportmitteln LKW, Bahn und Schiff, verglichen mit anderen Transportoptionen, teuer. 

Der Betrieb von Pipelines ist denkbar, da durch den hohen Durchsatz und den niedrigen variablen Kosten einer Pipeline, die geringe Energiedichte des Wasserstoffs weniger ins Gewicht fällt und eine starke Verdichtung auf 700 bar entfallen kann. Gasförmiger Wasserstoff ist leicht entflammbar.

Bei der Transportoption „Flüssig Wasserstoff“ liegt der Wasserstoff verflüssigt vor und wird ohne einen Trägerstoff transportiert. Um das Gas zu verflüssigen, wird es auf -253°C abgekühlt und kondensiert. Dieser Prozess ist bereits industriell etabliert und findet auch für andere Gase in technischem Maßstab statt (z.B. für LNG). Auch die Anwendung von flüssigem Wasserstoff ist in einigen Branchen wie der Raumfahrt bereits etabliert. 

Da die Verflüssigung bei so niedrigen Temperaturen stattfindet, ist der Prozess sowie der Transport teuer und aufwändig. Steigt die Temperatur über -252 °C, wird der Wasserstoff gasförmig und expandiert. Ohne Sicherheitsventile, die den gasförmigen Wasserstoff in so einem Fall in die Umgebungsluft lassen würden, würde der Lagertank aufgrund des steigenden Innendrucks platzen. Da es unvermeidlich ist, dass ein Teil des flüssigen Wasserstoffs gasförmig wird und somit freigesetzt werden muss, ist eine verlustfreie Speicherung über lange Zeiträume kaum möglich.

Ammoniak ist eine chemische Verbindung aus Wasserstoff und Stickstoff und bei Raumtemperatur gasförmig. Es ist eine der weltweit meistproduzierten Chemikalien und Grundstoff in der industriellen Chemie. So wird das, jährlich zu ca. 150 Mio. Tonnen produzierte Ammoniak z.B. in der Herstellung von Düngemitteln benötigt. Entsprechend gibt es bereits bestehende Infrastrukturen und Erfahrungen mit dem Transport und der Lagerung von Ammoniak. 

Die vielseitigen Optionen in der Nutzung von Ammoniak bergen einige Vorteile. Der grüne Ammoniak kann einerseits einfach als Ammoniak verwendet werden und so einen Teil der Chemieindustrie dekarbonisieren. Es müssen keine Prozesse umgestellt werden, sondern es wird einfach von Erdgas basiertem Ammoniak auf nachhaltig hergestellen Ammoniak gewechselt. 
Falls der im Ammoniak gebundene Wasserstoff benötigt wird (und nicht die Chemikalie als solche), kann in einem endothermen Ammoniak-Cracking Prozess die Chemikalie in Stickstoff und Wasserstoff gespalten werden. Dieser Prozess ist sehr energieintensiv und wird derzeit noch erforscht. Durch die diversen Anwendungsbereiche und eine bereits etablierte Verwendung des Ammoniaks als Chemikalie ist eine Investition zur Markterschließung weniger risikoreich.

Nachteilig sind die stofflichen Eigenschaften des Ammoniaks. Denn es ist sowohl entflammbar als auch giftig. Außerdem ist Ammoniak korrosiv und stellt somit erhöhte Anforderungen an das Material. Zudem können bei dem Crack-Prozess gifitge Stickoxide entstehen.

Methanol ist eine chemische Verbindung aus Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff (CH3OH) und ist chemisch betrachtet der einfachste Alkohol. Methanol ist eine der meist hergestellten organischen Chemikalien und Ausgangsstoff für eine Vielzahl von chemischen Prozessen. Zur Herstellung von Kraftstoffen oder als Brennstoff in Brennstoffzellen wird Methanol auch als Energieträger verwendet. 

Methanol ist bei Raumtemperatur flüssig und leicht flüchtig. Derzeit wird der Großteil des jährlich zu ca. 60 Mio. Tonnen produzierten Methanols aus Synthesegas hergestellt, welches wiederum durch die Dampfreformierung von Erdgas (Methan) hergestellt wird. Um diesen klimaschädlichen Prozess nachhaltiger zu gestalten, muss entweder grünes Methan durch z.B. eine Biogasanlage hergestellt werden, oder eine CO2 Punktquelle vorhanden sein. Eine CO2 Punktquelle ist in der Regel eine industrielle Anlage, welche einen hohen CO2 Ausstoß hat (wie z.B. ein Zementwerk). Dieses CO2 wird dann in der Methanol Herstellung gebunden, statt in die Atmosphäre freigesetzt zu werden.

Nachteilig am Methanol als Transportoption für Wasserstoff ist außerdem die leichte Entzündbarkeit und Giftigkeit des Methanols. Allerdings kann bei dem Transport und der Lagerung von Methanol auf bestehende Infrastruktur und Erfahrung zurückgegriffen werden. Ähnlich wie beim Ammoniak als Transportoption kann auch Methanol als Brennstoff in Brennstoffzellen, als Chemikalie und als Wasserstoffspeicheroption genutzt werden. Die diversen Anwendungsbereiche machen ein Investment zur Markterschließung für die HHLA erneut weniger risikoreich.

LOHC steht für Liquid Organic Hydrogen Carrier und ist ein organischer Trägerstoff, an dem der Wasserstoff bei der Hydrierung chemisch gebunden wird. Dabei entsteht Wärme, die genutzt werden kann, um z.B. Wohnhäuser zu heizen. Bei der Dehydrierung des Wasserstoffs wird wiederum viel Wärme benötigt, sodass ein optimaler Standort für eine Dehydrieranlage in der Nähe von Wärmequellen ist, die Energie günstig bereitstellen (z. B. in der Nähe einer Müllverbrennungsanlage, Stahlwerk oder chemischer Industrie). Alternativ könnte die benötigte Wärme auch mit grünem Strom erzeugt werden. Das ist jedoch vergleichsweise teuer.

Vorteile des Wasserstofftransports mit LOHC liegen vor Allem in der schweren Entflammbarkeit des LOHCs, im Transport bei normalen Drücken und Temperaturen, sowie in der bereits vorhandenen Transport- und Speicherinfrastruktur von fossilen Energieträgern wie Erdöl oder Diesel (Tanks, Tanker, Pipelines und Pumpen können für LOHC-Transport genutzt werden).

Nachteile liegen zum Einen in der Rückwärtslogistik des LOHCs, denn das LOHC muss man sich wie eine Pfandflasche vorstellen. Nach der Dehydrierung muss der leere Träger wieder zum Hydrierungsstandort transportiert werden.  Außerdem ist der hohe Energiebedarf, um den Wasserstoff wieder nutzbar zu machen, nachteilig. LOHC ist ähnlich wie Erdöl, als wassergefährdend und gesundheitsschädlich eingestuft. 

ElektrolyseUmwandlungTransportVorbereitung für Nutzung
Flüssiger WasserstoffGewinnung des Wasserstoffs aus Wasser unter EnergiezufuhrVerflüssigung bei -253°CKryotank oder ChemikalientankerVerdampfung bei Temperaturen über -252°C
Komprimierter WasserstoffGewinnung des Wasserstoffs aus Wasser unter EnergiezufuhrKomprimierung auf bis zu 700 barGasflaschen, Pipeline und Druckgastrailerkeine Aufbereitung notwendig
Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC)Gewinnung des Wasserstoffs aus Wasser unter EnergiezufuhrBindung des Wasserstoffs an das LOHC als TrägerstoffTankcontainer oder Chemikalientanker bei normaler Temperatur und DruckFreisetzung des Wasserstoffs aus dem LOHC
AmmoniakGewinnung des Wasserstoffs aus Wasser unter EnergiezufuhrHerstellung von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff und VerflüssigungTankcontainer oder Chemikalientanker bei minus 33 Grad und DruckSpalten des Ammoniaks in Wasserstoff und Stickstoff oder direkte Nutzung des Ammoniak als Rohstoff
MethanolGewinnung des Wasserstoffs aus Wasser unter EnergiezufuhrHerstellung von Methanol aus Kohlenstoff und WasserstoffTankcontainer oder Spezialschiff bei normaler Temperatur und DruckReformieren des Methanols zu Wasserstoff und CO2 oder direkte Nutzung des Methanols als Rohstoff

Wasserstofftransport - Wirtschaftslage

Nachdem wir die verschiedenen Wasserstoff Transportoptionen -komprimierter Wasserstoff, flüssiger Wasserstoff, Ammoniak, Methanol und LOHC- vorgestellt haben, nehmen wir in diesem Fazit eine Einordnung der Transportoptionen in den Kontext der Marktlage vor.

Um weltweite Klimaziele zu erreichen, wird die Wasserstoffnutzung und somit der Wasserstoffbedarf zukünftig steigen. Entsprechend werden die Anforderungen an das Transport- und Lagervolumen von Wasserstoff steigen. Da die Wasserstoffstrategie der BRD vorsieht, den Großteil des Wasserstoffs zu importieren, kann Hamburg und die HHLA hier eine Schlüsselrolle in der zukünftigen Wasserstoffwirtschaft einnehmen. 

Der Markt für Wasserstoff ist jedoch noch recht jung und es hat sich bisher keine der vorgestellten Transportoptionen für den Import von Wasserstoff großskalig durchgesetzt. Ein Investment in dieser Marktphase würde den Wasserstoff früher, in großen Mengen zur Verfügung stellen und Anreize in der Industrie schaffen, klimaneutrale Prozesse auf Basis von grünem Wasserstoff zu implementieren. Da die verschiedenen Transportoptionen verschiedene Anforderungen an die Infrastruktur und den Transport nach sich ziehen, ist ein Investment zum Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur wirtschaftlich nicht risikofrei. Um globale Klimaziele erreichen zu können, sollten Investitionen in eine Wasserstoffinfrastruktur allerdings so schnell wie möglich erfolgen. 

Aus diesem Grund ist die Forderung nach internationalen Standards groß, um somit Planungssicherheiten zu generieren und Investitionen weniger risikoreich zu machen. Die HHLA treibt aktiv die industrielle Erprobung verschiedener Transportoptionen in eigenen Projekten voran. Außerdem ist die HHLA auch Gründungsmitglied einer Stiftung, die den Markthochhlauf des Energieträgers in Deutschland vereinfachen soll.  

Weitere Megatrends und Handlungsfelder der HHLA

Alle Informationen zu den aktuellen Trends Automatisierung, Künstliche Intelligenz, Digitalisierte Lieferketten, Drohnen und Wasserstoff sowie zu den Projekten der HHLA.

Innovationen bei der HHLA