Do, 30.03.2022 — IIASA
Die Wasserstoffwirtschaft ist eine Energiealternative , die viel Aufmerksamkeit erhält. Für die Entwicklung einer solchen Wirtschaft gibt es jedoch einige zentrale Herausforderungen, wie beispielsweise die hohen Investitionskosten für Produktion, Verdichtung, Speicherung und Transport des Wasserstoffs. Der IIASA-Forscher Julian Hunt und seine Kollegen haben die Tiefsee ins Auge gefasst, um ein innovatives Konzept zu erstellen, das diese Probleme lösen könnte.*
Das Hydrogen Deep Ocean Link (HYDOL) Konzept
Zur Produktion von grünem Wasserstoff sind teure Elektrolyseanlagen erforderlich. Diese sollten nach Möglichkeit in Betrieb bleiben, um die Produktionskosten zu senken. Erneuerbare Energiequellen wie Wind und Sonne sind jedoch intermittierend und liefern keine konstante Energiemenge. Dieses Problem könnte durch den Bau eines Elektrolyseschiffs gelöst werden, das den Jahreszeiten entsprechend zu Orten mit im Überschuss erzeugter erneuerbarer Energie fahren kann. So kann das Schiff im Sommer beispielsweise in Japan Wasserstoff mit überschüssigem Solarstrom erzeugen und dann nach Süden fahren, um mit überschüssigem Solarstrom im Sommer in Australien Wasserstoff zu produzieren.
Was die Verdichtung, Speicherung und den Transport von Wasserstoff betrifft, so steht in dem von uns explorierten Grundkonzept [1] die Tatsache im Mittelpunkt, dass verdichteter Wasserstoff in Tiefseetanks gefüllt werden kann, wobei das gleiche Volumen an Meerwasser aus den Tanks entfernt wird. Dadurch wird der Druck in den Tanks auf dem gleichen Niveau wie in der Umgebung des Tanks gehalten. So kann der unter hohem Druck stehende Wasserstoff mit billigen Kunststofftanks (aus Polyethylen hoher Dichte) in der Tiefsee gespeichert werden, wodurch die Kosten für die Langzeitspeicherung erheblich gesenkt werden. Damit die Wasserstofftanks nicht zur Oberfläche treiben, wird Sand hinzugefügt, um ihr Gewicht zu erhöhen. Ein weiterer wichtiger Aspekt, der diese Lösung ermöglicht, ist, dass Wasserstoff auch bei sehr hohen Drücken in Wasser unlöslich ist. Wäre Wasserstoff in Wasser löslich, so würde sich ja ein großer Teil des Wasserstoffs in den Tanks lösen und im Ozean verloren gehen.
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| Abbildung 1. Hydrogen Deep Ocean Link (HYDOL). a: Gesamtkonzept mit den verschiedenen Einrichtungen.b: Vorschlag für das Design einer Pipeline. (cc-by, Hunt et al., [1]) |
Der isotherme (d.i. bei konstanter Temperatur arbeitende; Anm. Redn.) Kompressor, mit dem der Wasserstoff verdichtet und in die Tiefsee transportiert wird, hat einen Wirkungsgrad der Verdichtung von rund 80 %; im Prozess des Komprimierens lässt das leichte Übergewicht des Sandes die Wasserstofftanks in der Tiefsee langsam auf den Meeresboden sinken, während Wasser in die Rohre gelangt (siehe Abbildung 1a).
Die tiefen Tanks für die Langzeitspeicherung von Wasserstoff (in Abbildung 1a unten dargestellt) sind am Meeresboden fixiert und können bei niedrigen Kosten große Mengen an Wasserstoff speichern. Das ebenfalls in der Abbildung gezeigte Tiefsee-Wasserstoff-U-Boot ist im Grunde ein Wasserstoff-Langzeitspeichertank, der mit einem Propeller angetrieben wird. Der Hauptzweck des Tiefsee-Wasserstoff-U-Bootes besteht darin, den Sand in den Container zu tragen. Das Tiefsee-Wasserstoff-U-Boot mit Sand ist jedoch immer noch leichter als ein Lkw mit auf 500 bar verdichtetem Wasserstoff an Land.
Die tiefe Wasserstoffpipeline ist dazu ausgelegt, Wasserstoff von einem Punkt zum anderen zu liefern, wobei der Wasserstofffluss mit dem Neigungswinkel der Pipeline variiert. Abbildung 2. Aufgrund der hohen Kosten von Hochdruckleitungen an Land ist es günstiger Wasserstoff in tiefen Pipelines zu transportieren als in Pipelines an Land.
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| Abbildung 2. Hydrogen Deep Ocean Link (HYDOL).Links: Querschnitt durch eine Wasserstoff-Pipeline. Rechts: Vorschlag für Tiefsee-Wasserstoff Pipelines. (cc-by, Hunt et al., [1]) |
Eine Abschätzung der Kosten
Für die isotherme Verdichtung von Wasserstoff von 100 bar auf 500 bar belaufen sich nach unserer Berechnung die Investitionskosten auf 15.000 US-Dollar pro Kubikmeter und Tag. Für eine langfristige Energiespeicherung bei 500 bar sind nach unseren Schätzungen rund 0,02 USD pro kWh einzuplanen, während die Kosten für eine Tiefsee-Wasserstoffpipeline bei 400 bar und einer Länge von 5.000 km auf 60 Millionen USD pro Gigawatt kommen. Die Kosten für das Tiefsee-Wasserstoff-U-Boot bei 400 bar und 500 km werden auf 40 Millionen Dollar pro Gigawatt geschätzt.
Diese Kosten sind sechsmal billiger als die übliche Wasserstoffverdichtung (mit Kompressionsturbinen), 50-mal billiger als die normale Wasserstoff-Langzeitspeicherung (Oberflächen-Druckbehälter) und dreimal billiger als der normale Ferntransport (mit verflüssigtem Wasserstoff). Dabei ist zu beachten, dass das Verflüssigen von Wasserstoff die Gesamtenergiespeichereffizienz des Systems erheblich verringert.
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Fazit
Der Hydrogen Deep Ocean Link kann Wasserstoff bei niedrigen Kosten sowohl innerhalb als auch zwischen Kontinenten transportieren, was zu einem globalen nachhaltigen Energienetz führt.
[1] Hunt, J., Nascimento, A., Zakeri, B., & Barbosa, P.S.F. (2022). Hydrogen Deep Ocean Link: a global sustainable interconnected energy grid. Energy 249 e123660. 10.1016/j.energy.2022.123660. [pure.iiasa.ac.at/17854]
*Der Artikel " Hydrogen Deep Ocean Link: A global sustainable interconnected energy grid " https://iiasa.ac.at/blog/mar-2022/hydrogen-deep-ocean-link-global-sustainable-interconnected-energy-grid ist am 28.März 2022 auf der IIASA Website erschienen. Der Artikel wurde von der Redaktion möglichst wortgetreu übersetzt und durch 3 Untertitel ergänzt. IIASA hat freundlicherweise der Veröffentlichung der von uns übersetzten Inhalte seiner Website und Presseaussendungen in unserem Blog zugestimmt. Es wird darauf hingewiesen, dass der Artikel ausschließlich die Ansichten des Autors J. Hunt widerspiegelt.
Weiterführende Links
In der vergangenen Woche ist im ScienceBlog ein weiteres innovatives Konzept des IIASA-Forschers Julian Hunt und seiner Kollegen erschienen, das auf der Basis von Elektro-Lkw eine flexible und saubere Lösung für die Stromerzeugung in Bergregionen bieten könnte:
IIASA, 24.03.2022: Anstelle von Stauseen, Staumauern, Rohrleitungen und Turbinen: Elektro-Lkw ermöglichen eine innovative, flexible Lösung für Wasserkraft in Bergregionen
Wasserstoff im ScienceBlog:
- Redaktion, 19.09.2019: Umstieg auf erneuerbare Energie mit Wasserstoff als Speicherform - die fast hundert Jahre alte Vision des J.B.S. Haldane: Der britische Genetiker und Evolutionsbiologe John B.S. Haldane 1923 in einem Vortrag an der Cambridge University u.a. auch seine Vision zur Energieversorgung für die Zeit dargelegt, wenn die fossilen Quellen versiegen. Haldane war der Erste, der die weitreichende Nutzung erneuerbarer Energie, insbesondere der Windenergie, vorschlug, wobei die Speicherung überschüssiger Energie in Form von Wasserstoff erfolgen sollte, welcher dann bedarfsgerecht für Industrie, Mobilität und Privatgebrauch zur Verfügung gestellt würde.
- Robert Schlögl, 26.09.2019: Energiewende (6): Handlungsoptionen auf einem gemeinschaftlichen Weg zu Energiesystemen der Zukunft
- Georg Brasseur, 10.12.2020: Die trügerische Illusion der Energiewende - woher soll genug grüner Strom kommen?
- Roland Wengenmayr, 02.12.2021: Brennstoffzellen: Knallgas unter Kontrolle">
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