Wasserstoffspeicherung
(Weitergeleitet von Wasserstofftank)
Die Wasserstoffspeicherung ist die umkehrbare Aufbewahrung von Wasserstoff mit dem Ziel, dessen chemische und physikalische Eigenschaften für eine weitere Verwendung zu erhalten. Die Speicherung umfasst die Vorgänge der Einspeicherung oder Speicherbeladung, der zeitlich befristeten Lagerung und der Ausspeicherung oder Speicherentladung. Konventionelle Methoden der Speicherung von Wasserstoff sind:
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- Flüssiggasspeicherung (Speicherung in verflüssigter Form durch Kühlung und Verdichten)<ref name=":1" />
Alternative Formen der Speicherung von Wasserstoff nutzen die physikalische oder chemische Bindung an einen anderen Stoff:
- Absorption im Metallhydridspeicher (Speicherung als chemische Verbindung zwischen Wasserstoff und einem Metall bzw. einer Legierung)
- Adsorptionsspeicherung (adsorptive Speicherung von Wasserstoff in hochporösen Materialien)
- chemische Bindung, bei der der Wasserstoff durch eine chemische Reaktion in einen anderen Stoff überführt wird, der z. B. drucklos und bei Raumtemperatur gelagert und transportiert werden kann („Chemisch gebundener Wasserstoff“). Bei der Ausspeicherung erfolgt dann die Umkehrreaktion. Beispiele sind Hydrierung organischer Substanzen oder Bildung von Alkoholen und Alkanen mit CO.
Problemstellung
Wegen seiner chemischen und physikalischen Eigenschaften unterscheidet sich der Umgang mit Wasserstoff von den bisher genutzten Energieträgern.
- Wasserstoff bildet beim Austreten ein entzündliches Gemisch mit der Umgebungsluft, bei einem Anteil von 4 % bis 75 %. Ein explosives Gemisch (Knallgas) bildet Wasserstoff erst bei einem Anteil von 18 %. Weil Wasserstoff eine hohe Diffusionsneigung hat und Gemischwolken aus Wasserstoff und Luft eine geringere Dichte als gewöhnliche Luft haben, verflüchtigt es sich in offener Umgebung in der Regel, bevor es ein explosives Gemisch bilden kann, oder es brennt in heißen Umgebungen bereits bei der Konzentration von 4 % ab.
- Wasserstoff hat im Vergleich zu vielen Kohlenwasserstoffen eine niedrige molare Verbrennungsenthalpie und damit eine niedrige volumenbezogene Energiedichte (ca. 1/3 von Erdgas). Das erfordert zum Speichern äquivalenter Energiemengen einen dreimal so großen Tank oder einen dreimal so hohen Druck wie für Erdgas. Auf Grund der geringen molaren Masse ergibt sich jedoch eine vergleichsweise hohe massenbezogene Energiedichte (z. B. mehr als die doppelte massenbezogene Energiedichte von Erdgas).
- Das Wasserstoffatom ist sehr klein und kann daher in manchen Materialien diffundieren. Eine dadurch mögliche Wasserstoffversprödung muss bei der Materialwahl von metallischen Tankhüllen berücksichtigt werden. Bei Hüllen aus Kunststoff tritt dieser Effekt nicht auf.
- Bei der kryogenen Wasserstoffverflüssigung kommt es durch unvermeidbare thermische Isolationsverluste zum Verdampfen/Ausgasen. Damit der Druck in den Behältern nicht zu hoch steigt, wird das Wasserstoffgas mittels eines Überdruckventils abgelassen. Kann dieses entstehende Wasserstoffgas nicht genutzt werden, entstehen erhebliche Verluste. Beispielsweise leert sich der halbvolle Flüssigwasserstofftank des BMW Hydrogen7 bei Nichtbenutzung in 9 Tagen.<ref name="heise_BMWHydrogen7">Unterwegs im Wasserstoff-7er. In: heise online, 22. November 2006, abgerufen am 8. Februar 2012</ref>
- Nicht nur zur Herstellung von Wasserstoff, sondern auch zur Speicherung werden große Energiemengen benötigt (Kompression ca. 12 %<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:Druckspeicher - GH2|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Druckspeicher - GH2}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.uni-augsburg.de/de/forschung/einrichtungen/institute/amu/wasserstoff-forschung-h2-unia/h2lab/h2-sp/physikalische-speicherung/gh2/%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Druckspeicher - GH2}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.uni-augsburg.de/de/forschung/einrichtungen/institute/amu/wasserstoff-forschung-h2-unia/h2lab/h2-sp/physikalische-speicherung/gh2/}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Druckspeicher - GH2}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:{{#if: 2024-06-23 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Arten der Wasserstoffspeicherung
Druckwasserstoffspeicherung
Die Probleme der Speicherung in Druckbehältern gelten heute als gelöst. Waren für den Kfz-Bereich um das Jahr 2000 noch Drucktanks mit 200 bis 350 bar üblich, so sind es 2011 schon 700- und 800-bar-Tanks mit höherer Kapazität. Das komplette Wasserstoff-Tanksystem für einen Pkw soll nur noch 125 kg wiegen.<ref><templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20120222122120
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}}</ref> Entwicklungen in diesem Bereich ermöglichen im Jahr 2019 Tanks mit gleichem Speichervolumen und einem Gewicht von nur noch 80 kg (Druckbehälter Typ IV).<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:NPROXX|NPROXX: }}{{#if:|{{#if:NPROXX präsentiert der Automobilindustrie neuen 700-bar-Tank|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=NPROXX präsentiert der Automobilindustrie neuen 700-bar-Tank}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.nproxx.com/de/nproxx-praesentiert-der-automobilindustrie-neuen-700-bar-wasserstofftank/%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=NPROXX präsentiert der Automobilindustrie neuen 700-bar-Tank}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.nproxx.com/de/nproxx-praesentiert-der-automobilindustrie-neuen-700-bar-wasserstofftank/}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=NPROXX präsentiert der Automobilindustrie neuen 700-bar-Tank}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:nproxx.comNPROXX2019-03-28{{#if: 2022-07-25 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Flüssigwasserstoffspeicherung
Für große Mengen werden Flüssiggasspeicher eingesetzt. Weil oberhalb des kritischen Punktes (−240 °C, 1,3 MPa = 13,0 bar) keine Druckverflüssigung mehr möglich ist, muss der Wasserstoff zur Verflüssigung stark gekühlt werden (LH2).
Der Energieaufwand dazu lässt sich in folgende Anteile gliedern<ref name="Kurzweil">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref>, jeweils bezogen auf den gespeicherten Energieinhalt:
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- 6 % Transport zwischen Verflüssigungsstation und Wasserstofftankstelle (Diesel- und Ottokraftstoffe 0,2 %)
- Bis zu 3 % je Tag durch Boil-off-Verluste (s. u.)
- Verdampfungsverluste beim Umfüllen
Der Druck stellt dann für die Gestaltung des Tanks kein Problem mehr dar. Ein großer Aufwand muss aber bei der Wärmedämmung des Tanks und der Leitungen betrieben werden. Vorteilhaft ist die geringere Reaktivität bei tiefen Temperaturen und die um den Faktor 800 höhere Dichte des flüssigen Wasserstoffs im Vergleich zu gasförmigem Wasserstoff bei Umgebungsdruck. Trotzdem benötigt flüssiger Wasserstoff je Gewichtseinheit viel Platz. Er hat mit 71 kg/m³ eine nur minimal höhere Dichte als kleinporig geschäumtes Polystyrol (in einen 20-Liter-Eimer passen nur 1,42 kg Flüssigwasserstoff, das entspricht etwa einem Zehntel dessen von Benzin). Nachteilig ist, dass durch die sehr niedrige Temperatur im Inneren des Tanks auch bei guter Wärmedämmung ein Wärmestrom aus der Umgebung nicht zu vermeiden ist. Dieser führt zu einer teilweisen Verdampfung des Wasserstoffs. Um einen Druckaufbau zu vermeiden, muss dieser Wasserstoff, bei unstetiger oder Nicht-Abnahme des entstehenden Wasserstoffgases, abgelassen werden (sogenannte Boil-off-Verluste). Durch weitere Maßnahmen (boil off management) lassen sich die Verluste durch Verdunstung minimieren, bei stationären Anwendungen z. B. durch Kopplung mit einem Blockheizkraftwerk (BHKW).
Für den Einsatz in Wasserstoffautos wurden Tankroboter entwickelt, die die Kopplung und das Betanken übernehmen. Der Energieaufwand zur Verflüssigung fällt nur einmalig an, späteres Umfüllen benötigt relativ wenig Energie, erzeugt aber zusätzliche Ausgasungsverluste. Auch der Transport von der Fabrik mit Tanklastzügen zu Tankstellen/Lagertanks kostet durch das große Volumen und die geringe Energiedichte bis 6 % der eingesetzten Energie – ein Vielfaches gegenüber der Verteilung von flüssigen Kraftstoffen (0,2 %).<ref name="Bossel2006" />
Transkritische Speicherung (cryo compressed)
Vorlage:Hinweisbaustein Bei beengten Platzverhältnissen ermöglicht die Kombination der oben genannten Varianten wesentlich höhere Speicherdichten von bis zu 100 kg/m³. Dabei erfolgt die Speicherung wie bei der Druckgasspeicherung oberhalb der kritischen Temperatur und des kritischen Druckes bei bis zu 1000 bar. Damit entspricht der Speicherdruck der Druckgasspeicherung, die Speichertemperatur liegt jedoch mit −220 °C (53 K) über der von Flüssigwasserstoff. Dem Vorteil der hohen Speicherdichte steht der notwendige Aufwand für den Drucktank und die thermische Dämmung gegenüber.
Metallhydridspeicher
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Eine andere Möglichkeit zur Druckverringerung des molekularen Wasserstoffes ist die Lösung in anderen Speichermitteln. Wegen seiner weitgehend elektrisch und magnetisch neutralen Eigenschaften verwendet man kein flüssiges Lösungsmittel, sondern feste Speicherstoffe wie Metallhydride. Der Wasserstoff wird in den Lücken des Metallgitters eingelagert. Dieser Vorgang ist temperaturabhängig, die Speicherfähigkeit sinkt bei hohen Temperaturen, so dass der Wasserstoff bei Erwärmung des Speichers wieder abgegeben/ausgespeichert wird. Ein Kubikmeter Metallhydrid enthält mehr Wasserstoffatome als ein Kubikmeter verflüssigter Wasserstoff. In Metallhydridspeichern kann fünfmal so viel Energie gespeichert werden wie in Bleiakkumulatoren gleichen Gewichts. Sie erwiesen sich aber für eine breite Anwendung als zu teuer, so dass sie nur in U-Booten verwendet werden, wo der Preis weitgehend keine Rolle spielt.<ref><templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20071208111818
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Forscher der Université Catholique de Louvain (Katholische Universität Löwen) in Belgien und der Universität Aarhus in Dänemark stellten 2011 eine neue hochporöse Form von Magnesiumborhydrid vor, die Wasserstoff chemisch gebunden und physikalisch adsorbiert speichern kann. Magnesiumborhydrid (Mg(BH4)2) gibt Wasserstoff bereits bei relativ niedrigen Temperaturen ab und speichert einen hohen Gewichtsanteil Wasserstoff (ca. 15 %).<ref>Vorlage:IDW-online</ref>
Im Februar 2021 veröffentlichte das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden eine Variante dieser Speicherform, die „Powerpaste“ genannt wird. Hierbei wird Magnesiumhydrid verwendet, um den Wasserstoff bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck in Kartuschen zu speichern und bedarfsgerecht wieder freizusetzen. Das Material ist bis zu 250 °C stabil. Weitere Bestandteile sind Ester und Metallsalze. In dieser Form eignet sich die Speicherung besonders für Kleinfahrzeuge wie z. B. Roller, aber auch der Einsatz in Brennstoffzellen-PKW und Hybridfahrzeugen oder Drohnen ist möglich. Dabei wird nur die Hälfte des benötigten Wasserstoffs aus der Powerpaste zur Verfügung gestellt – die andere Hälfte stammt aus einem weiteren Wassertank. In der Kombination entsteht gasförmiger Wasserstoff. Das Institut verspricht eine deutlich höhere Energiedichte als bei herkömmlichen 700 bar-Drucktanks und die zehnfache Energiespeicherdichte von Batterien. Des Weiteren werden Vorteile bei der Infrastruktur hervorgehoben: die Paste ist fließfähig und pumpbar, kann jedoch auch an jeder beliebigen Tankstelle in Kartuschen angeboten werden. Derzeit wird eine Produktionsanlage im Fraunhofer-Projektzentrum für Energiespeicher und Systeme ZESS aufgebaut, die Ende 2021 für ein Pilotprojekt in Betrieb gehen und bis zu vier Tonnen pro Jahr produzieren soll.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:|: }}{{#if:|{{#if:Energiespeicher für Kleinfahrzeuge – Wasserstoffantriebe für E-Scooter und Co.|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Energiespeicher für Kleinfahrzeuge – Wasserstoffantriebe für E-Scooter und Co.}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2021/februar-2021/wasserstoffantriebe-fuer-e-scooter-und-co.html%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Energiespeicher für Kleinfahrzeuge – Wasserstoffantriebe für E-Scooter und Co.}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2021/februar-2021/wasserstoffantriebe-fuer-e-scooter-und-co.html}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Energiespeicher für Kleinfahrzeuge – Wasserstoffantriebe für E-Scooter und Co.}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:Fraunhofer InstitutFraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.2021-02-01{{#if: 2021-02-07 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Adsorptive Speicherung
Durch Anlagerung an die Oberfläche eines hochporösen Materials lässt sich prinzipiell die volumenbezogene Speicherdichte gegenüber Druckwasserstoff bei gleicher Temperatur und gleichem Druck erhöhen. Mögliche Materialien für die adsorptive Wasserstoffspeicherung sind beispielsweise Zeolithe, Metal Organic Frameworks, Carbon Nanotubes oder Aktivkohle. Da bei Raumtemperatur nur sehr wenig Wasserstoff adsorbiert, ist es aus thermodynamischen Gründen erforderlich, Adsorptionsspeicher bei niedrigeren Temperaturen zu betreiben. In einem Großteil der aktuellen Arbeiten zu diesem Thema wird die Aufnahmefähigkeit bei −196 °C (der Temperatur von Flüssigstickstoff) untersucht.<ref>K. Müller, W. Arlt: Status and Development in Hydrogen Transport and Storage for Energy Applications, Energy Technology, 2013, 1, 9, 501–511, doi:10.1002/ente.201300055</ref> Die Abkühlung auf −196 °C zieht einen erheblichen Energiebedarf nach sich. Infolge der sehr niedrigen Temperaturen kommt es darüber hinaus wie bei Flüssigwasserstoff zu einem permanenten Wärmestrom ins Innere des Behälters, was zu Verlusten während der Lagerung führt. Infolgedessen weist Wasserstoffspeicherung durch Adsorption bei niedrigen Temperaturen nur eine sehr geringe Energieeffizienz auf.<ref>P. Adametz, K. Müller, W. Arlt: Efficiency of low-temperature adsorptive hydrogen storage systems, International Journal of Hydrogen Energy, 2014, 39, 28, 15604–15613, doi:10.1016/j.ijhydene.2014.07.157</ref> Um die Verluste zu reduzieren, wird gegenwärtig auch nach Materialien gesucht, die bei höheren Temperaturen (z. B. −78 °C; der Temperatur von Trockeneis) eingesetzt werden können. Die Energiedichten sind in diesen Fällen jedoch deutlich geringer und auch wenn höhere Wirkungsgrade erzielt werden können, sind die Verluste immer noch erheblich.<ref>P. Adametz, K. Müller, W. Arlt: Energetische Bewertung von adsorptiven Wasserstoffspeichern, Chemie Ingenieur Technik, 2014, 86, 9, 1427, doi:10.1002/cite.201450249</ref>
Metal Organic Framework
Metall-organische Gerüste (engl. metal-organic frameworks, MOFs) sind poröse Materialien mit wohlgeordneter kristalliner Struktur. Sie bestehen aus Komplexen mit Übergangsmetallen (meist Cu-, Zn-, Ni- oder Co) als „Knoten“ und organischen Molekülen (Liganden) als Verbindung („Linker“) zwischen den Knoten. Durch Verwendung geeigneter Knoten und Linker sowie durch Imprägnierung mit anderen Gastspezies können die MOF für die Wasserstoffspeicherung optimiert werden. Die MOF bilden ein aktives Forschungsfeld und werden als eine der vielversprechendsten Technologien zur Wasserstoffspeicherung angesehen.
Zeolithe
Zeolithe sind eine weitere Klasse von potentiellen Trägerstoffen, die für die adsorptive Wasserstoffspeicherung vorgeschlagen wurden.<ref>J. Weitkamp, M. Fritz, S. Ernst: Zeolites as media for hydrogen storage, International Journal of Hydrogen Energy, 1995, 20, 12, 967–970, doi:10.1016/0360-3199(95)00058-L</ref> Dabei handelt es sich um Alumosilikate mit definierten Porenstrukturen, die eine große innere Oberfläche aufweisen an der Stoffe wie Wasserstoff adsorbieren könnten.
Kohlenstoffträger
Verschiedene Hochoberflächenformen von Kohlenstoff wurden ebenfalls als Träger untersucht. Die mit Aktivkohle erzielbaren Speicherdichten sind jedoch sehr gering, so dass verstärkt an Kohlenstoffnanoröhren gearbeitet wurde.<ref>A. C. Dillon, M. J. Heben: Hydrogen storage using carbon adsorbents: past, present and future, Applied Physics A, 2001, 72, 2, 133–142, doi:10.1007/s003390100788</ref> Auch auf Kohlenstoffnanoröhren ist die Aufnahmekapazität aber wohl noch so gering, dass die Energiedichte für eine technisch sinnvolle Umsetzung nicht ausreicht.<ref>C. Liu, Y. Chen, C.-Z. Wu, S.-T. Xu, H.-M. Cheng: Hydrogen storage in carbon nanotubes revisited, Carbon, 2010, 48, 2, 452–455, doi:10.1016/j.carbon.2009.09.060</ref>
Andere adsorptive Trägermaterialien
Weitere Trägermaterialien wie TiO2-Nanoröhren<ref>S. H. Lim, J. Luo, Z. Zhong, W. Ji, J. Li: Room-Temperature Hydrogen Uptake by TiO2- Nanotubes, Inorganic Chemistry, 2005, 44, 12, 4124–4126, doi:10.1021/ic0501723</ref> oder SiC-Nanoröhren<ref>G. Mpourmpakis, G. Froudakis, G. P. Lithoxoos, J. Samios: SiC Nanotubes: A Novel Material for Hydrogen Storage, Nano Letters, 2006, 6, 8, 1581–1583, doi:10.1021/nl0603911</ref> werden in der Fachliteratur auf ihre Eignung als Wasserstoffträger untersucht. Die Aufnahmefähigkeit ist dabei wohl etwas höher als bei kohlenstoffbasierten Trägern. Es werden Werte von etwa 2 Gew.-% Wasserstoff bei 60 bar angegeben.
Chemisch gebundener Wasserstoff
- Hauptartikel: Chemische Wasserstoffspeicher
Neben den Möglichkeiten der Speicherung von molekularem Wasserstoff gibt es eine ganze Reihe von Möglichkeiten des Transports und der Lagerung in chemisch gebundener Form. Diese Möglichkeiten zählen nicht zur Wasserstoffspeicherung im engeren Sinne, die sich auf den technischen Prozess der Lagerung von molekularem Wasserstoff bezieht. Im Rahmen einer Wasserstoffwirtschaft und hier insbesondere durch Konzepte wie Power-to-Gas wird diese Möglichkeit jedoch dazu gezählt, da hier Speicherung und Entnahme von Wasserstoff der Gegenstand des produktiven Prozesses ist.
Da es sich bei den Wasserstoffträgern meist um organische Substanzen handelt, werden sie auch „Liquid Organic Hydrogen Carriers“ (LOHC, flüssige organische Wasserstoffträger) genannt.<ref>Daniel Teichmann, Wolfgang Arlt, Peter Wasserscheid und Raymond Freymann: A future energy supply based on Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHC). Energy Environ. Sci., 2011, 4, 2767–2773, 8. Juli 2011; doi:10.1039/C1EE01454D.</ref>
Methanol
Geeignet als Wasserstoffträger sind insbesondere Alkohole, z. B. Methanol. Methanol kann durch Reaktion von Wasserstoff mit CO bzw. CO2 hergestellt werden. Mittels Methanolreformierung kann man daraus wieder ein wasserstoffreiches Gasgemisch erzeugen. Dieses enthält allerdings erhebliche Anteile von Kohlenstoffmonoxid bzw. -dioxid. Insbesondere Kohlenstoffmonoxid kann bei der Verwendung in der Niedertemperatur-Brennstoffzelle jedoch Probleme verursachen, weshalb bei Brennstoffzellen-Anwendung von Methanol-Reformatgas beispielsweise die gegenüber Kohlenstoffmonoxid tolerantere Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (HT-PEMFC) verwendet wird. Vorteile von Methanol sind die leichte Lagerung und Transport, für die keine Kühlung nötig ist, sowie die hohe Energiedichte. Es könnte in vielen Bereichen z. B. im Chemie- oder Verkehrssektor eingesetzt werden. Verglichen mit Methan als Speichermedium entfällt außerdem auch das Risiko von sehr klimaschädlichen Leckagen.
Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC)
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In Flüssigen Organischen Wasserstoffträgern (LOHC) wird Wasserstoff durch chemische Reaktion mit einer ungesättigten Verbindung (Hydrierung) chemisch an diese gebunden. Zur Freisetzung wird die bei der Einspeicherung entstandene gesättigte Verbindung wieder dehydriert, wobei die ungesättigte Verbindung zurückgebildet wird und gasförmiger Wasserstoff entsteht. Eine große Zahl von Stoffen kommt hierfür prinzipiell in Frage. Lediglich aromatische Verbindungen eignen sich jedoch für die technische Anwendung.
Toluol
Das älteste erforschte LOHC-System basiert auf der Hydrierung von Toluol zu Methylcyclohexan (bzw. der entsprechenden Rückreaktion). Dieses System wurde in einer Demonstrationsanlage gezeigt.<ref>Quelle: Chiyoda Pressemitteilung Stand: 10. Februar 2014</ref> Aufgrund teilweise ungünstiger Eigenschaften werden jedoch seit einigen Jahren verstärkt andere Stoffe untersucht.
N-Ethylcarbazol
N-Ethylcarbazol gilt als vielversprechender Kandidat unter den hydrierbaren organischen Substanzen. Für die Rückgewinnung des Wasserstoffs zum Betrieb eines Wasserstoffverbrennungsmotors oder einer Brennstoffzelle ist die relativ niedrige zur Freisetzung benötigte Temperatur von Vorteil. Das „entladene“ Carbazol könnte an einer Tankstelle wieder gegen mit Wasserstoff „aufgeladenes“ Perhydro-N-Ethylcarbazol (auch Perhydro-Carbazol) ausgetauscht werden; die derzeitige Tankstellen-Infrastruktur könnte mit geringen Änderungen erhalten bleiben. Das Verfahren wird bis heute (2023) erforscht, aber wurde bislang nicht zur Marktreife entwickelt.<ref><templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20110705063423
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}} In: Automobil Produktion, Stand: 30. Juni 2011</ref><ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref><ref>{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref>
Dibenzyltoluol
Nachdem die Forschung die reversible Hydrierung von Dibenzyltoluol als besonders vielversprechend für die Wasserstoffspeicherung nachgewiesen hatte, wurde 2016 die weltweit erste kommerzielle LOHC-Anlage zur Speicherung von Wasserstoff in Dibenzyltoluol eingeweiht. Sie wurde von der Hydrogenious Technologies GmbH entwickelt und erstellt. Mit Hilfe von Solarstrom aus einer 98 kWp-Photovoltaikanlage wird mittels PEM-Elektrolyse Wasserstoff erzeugt. Dieser wird in Dibenzyltoluol gespeichert. Das beladene Dibenzyltoluol kann dann unter Umgebungsbedingungen in konventionellen Tanks gelagert oder über weite Strecken transportiert werden. Bei Bedarf wird der gespeicherte Wasserstoff wieder freigesetzt. Durch Anbindung einer Brennstoffzelle oder eines Blockheizkraftwerks kann der freigesetzte Wasserstoff in Elektrizität oder nutzbare Wärme gewandelt werden. Ein Liter Dibenzyltoluol (LOHC) nimmt etwa 660 l Wasserstoff auf<ref>VDI-Nachrichten, 14. April 2014: Wasserstoff sicher transportieren und lagern, abgerufen am 15. Mai 2019</ref><ref>Brennstoffzelle: Wasserstoff in Dieselform, Bericht in Die Zeit vom 31. Mai 2019</ref>, was aber bei Normaldruck gravimetrisch nur ca. 60 Gramm Wasserstoff entspricht. Damit liegt die Energiedichte bei nur einem Zehntel von Diesel.
Ammoniak
Neben der Speicherung von Wasserstoff in organischen Verbindungen wird aber auch die Speicherung von Wasserstoff in Ammoniak viel diskutiert.<ref>Hydrogen Europe: Clean Ammonia Report, abgerufen am 21. April 2023</ref> Da Ammoniak keinen Kohlenstoff enthält fällt es nicht unter die Kategorie LOHC und hat den Vorteil, dass als Nebenprodukt bei der Verbrennung oder der Rückgewinnung von Wasserstoff einzig Stickstoff als Nebenprodukt anfällt. Die gravimetrische Wasserstoffspeicherdichte beträgt 17,6 Gew.-% und ist damit deutlich höher als die Speicherdichte in LOHC. Eine hohe volumetrische Speicherdichte wird durch eine Verflüssigung bei Drücken >8 bar oder Temperaturen kleiner −33 °C erreicht.<ref>Eintrag zu Vorlage:Linktext-Check in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA{{#if: 2023-04-21 | Vorlage:Abrufdatum }} (JavaScript erforderlich){{#invoke:TemplatePar|valid|ZVG|2=/^[1-9]%d%d%d%d?%d?$/ |cat={{#ifeq: 0 | 0 | Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:GESTIS}} |errNS=0 |template=Vorlage:GESTIS |format= |preview=1 }}{{#if: 7664-41-7 | {{#invoke:TemplatePar|valid|CAS|2=/^[1-9]%d%d?%d?%d?%d?%d?%-%d%d%-%d$/ |cat={{#ifeq: 0 | 0 | Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:GESTIS}} |errNS=0 |template=Vorlage:GESTIS |format= |preview=1 }} }}{{#invoke:TemplatePar|check |all= ZVG= |opt= CAS= Name= Abruf= |cat={{#ifeq: 0 | 0 | Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:GESTIS}} |errNS=0 |template=Vorlage:GESTIS |format= |preview=1 }}</ref> Im flüssigen Aggregatzustand enthält 1 L Ammoniak 0,12 kg Wasserstoff, was einem Volumen von 1335 L Wasserstoff bei 0 °C entspricht. Für die Speicherung muss Wasserstoff mit Stickstoff wie zum Beispiel im Haber-Bosch-Verfahren umgesetzt werden. Wird grüner Wasserstoff für die Synthese verwendet, dann wird von grünem Ammoniak gesprochen. Wie bei den LOHC ist der Vorteil von Ammoniak als Wasserstoffspeicher auch, dass Transportinfrastruktur, Speichertechnologien und Sicherheitsanforderungen bekannt sind. Für die Rückgewinnung von Wasserstoff aus Ammoniak (Ammoniakreformierung) werden im Labor Katalysatoren basierend auf Ruthenium, Eisen, Cobalt oder Nickel und Temperaturen größer als 450 °C verwendet.<ref>Simon Ristig, Michael Poschmann, Jan Folke, Oscar Gómez-Cápiro, Zongkun Chen, Nuria Sanchez-Bastardo, Robert Schlögl, Saskia Heumann und Holger Ruland: Ammonia Decomposition in the Process Chain for a Renewable Hydrogen Supply Chemie Ingenieur Technik, 2022, 94, 1413-1425;doi:10.1002/cite.202200003</ref> Im kleinen Maßstab sind technische Anlagen zur Ammoniakreformierung kommerziell verfügbar<ref>Ammoniak-Cracker der Firma WS Reformer GmbH, abgerufen am 21. April 2023</ref>; größere Anlagen sind in der Entwicklung.<ref>Wilhelmshaven green hydrogen hub, abgerufen am 21. April 2023</ref><ref>Ammonia Energy Association, 3. April 2022: Ammonia cracking technologies gather traction across Europe, abgerufen am 21. April 2023</ref>
Einsatz
Bei den Verfahren zur technischen Speicherung von Wasserstoff in elementarer Form sind Druckbehälter erforderlich, wofür oft eine metallische Außenhülle verwendet wird. Das gilt auch für Flüssiggasspeicher und Metallhydridspeicher, die einen temperaturabhängigen Innendruck aufweisen. Für die Hochdruckspeicherung bei 700 bar finden auch kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe Verwendung, um das Gewicht des Tanks niedrig zu halten.
Für große Mengen in stationären Systemen sind derzeit Flüssiggasspeicher in Verwendung. Für kleine Mengen werden Druckspeicher bis 700 bar eingesetzt. Metallhydridspeicher werden dort verwendet, wo das Speichergewicht keine große Rolle spielt, etwa auf Schiffen. Für Fahrzeuge und Flugzeuge werden wegen des geringen Gewichtes heute ausschließlich Drucktanks verwendet:
Toyota setzt ihn in seinem Brennstoffzellen-Fahrzeug FCHV-adv ein und erreicht damit eine Reichweite von 830 km.<ref><templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20090810082856
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}}
}} In: atzonline.de, 16. Juni 2008</ref> Das Fahrzeug befindet sich bereits im kommerziellen Einsatz und kann geleast werden.<ref><templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20090916022528
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}} In: auto.de, 1. September 2008</ref>
Volkswagen baut einen 700-bar-Wasserstofftank im Tiguan HyMotion ein,<ref>Volkswagen-Forschung: Weltpremiere der VW-Hochtemperatur-Brennstoffzelle. In: innovations-report.de, 1. November 2006</ref> Mercedes im A-Klasse F-Cell „plus“ und Opel im HydroGen4.<ref>Opel HydroGen4 beweist Alltagstauglichkeit. In: auto.de, 14. Mai 2009</ref>
Bei Bussen werden inzwischen auch Drucktanks verwendet, wie z. B. im Citaro Fuel Cell Hybrid von Mercedes.<ref>Mercedes’ neuer Brennstoffzellen-Bus. In: heise.de, 17. November 2009</ref>
Firmen, die in die Forschung und Produktion von Wasserstoffspeichern involviert sind, sind z. B. in Deutschland die Linde AG, in Norwegen und Island StatoilHydro<ref><templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20100302215222
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}}
}} In: statoil.com, 23. September 2008</ref> und in den USA Quantum Fuel Technologies Worldwide.<ref><templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20080916125421
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}}
}}
}} In: quantum-technologies.com</ref>
Brennstoffzellen-Schienenfahrzeuge
{{#if: Brennstoffzellenantrieb von Triebfahrzeugen|{{#ifexist:Brennstoffzellenantrieb von Triebfahrzeugen|
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→ Haupt{{#if:|seite|artikel}}: [[{{{2}}}{{#if: ||{{{titel2}}}}}]]{{#if: |{{#ifexist:{{{3}}}| und [[{{{3}}}{{#if: ||{{{titel3}}}}}]]|}}|}}
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Flugzeuge
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Unfallgefahr
Die heute industriell eingesetzte Technik berücksichtigt die Hochentzündlichkeit des Wasserstoffes sowie seine Eigenschaft, explosives Knallgas zu bilden. Leitungen und Tanks sind entsprechend ausgelegt,<ref name="tank" /><ref name="tüv" /> so dass im täglichen Gebrauch keine größeren Risiken entstehen als z. B. durch die Verwendung von Benzin.<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:|{{{autor}}}: }}{{#if:|{{#if:Spektakulärer Test zeigt: Wasserstoff im Auto muss nicht gefährlicher sein als Benzin.|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Spektakulärer Test zeigt: Wasserstoff im Auto muss nicht gefährlicher sein als Benzin.}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.wissenschaft.de/technik-digitales/spektakulaerer-test-zeigt-wasserstoff-im-auto-muss-nicht-gefaehrlicher-sein-als-benzin/%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Spektakulärer Test zeigt: Wasserstoff im Auto muss nicht gefährlicher sein als Benzin.}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.wissenschaft.de/technik-digitales/spektakulaerer-test-zeigt-wasserstoff-im-auto-muss-nicht-gefaehrlicher-sein-als-benzin/}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Spektakulärer Test zeigt: Wasserstoff im Auto muss nicht gefährlicher sein als Benzin.}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:wissenschaft.de2003-02-03{{#if: 2019-09-08 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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}} In: Hycar.de</ref><ref>Video: Crashversuch der University of Miami</ref>
Wasserstofffahrzeuge mit Drucktanks können problemlos in Parkhäusern und Tiefgaragen geparkt werden. Es existiert keine gesetzliche Bestimmung, die das einschränkt. Fahrzeuge mit Flüssigwasserstoffspeichern dürfen wegen der unvermeidlichen Ausgasung nicht in geschlossenen Räumen abgestellt werden.
Brandlast und Explosionsgefahr
Eine lokale Erhitzung eines Drucktanks kann unter der Wirkung des Betriebsdrucks zu einem lokalen mechanischen Versagen, also einer lokalen Perforation der Tankwand führen. Hier ausströmendes Wasserstoffgas kann Ladungstrennung, also elektrostatische Aufladung erzeugen, deren Entladungsfunken ein brennbares Wasserstoff-Luft-Gemisch entzünden kann. Auch andere Zündquellen sind relevant. Die Verbrennung – außerhalb des Tanks – kann explosiv oder als Flamme erfolgen.
Durch die gesamtheitliche Erhitzung von Drucktank und Inhalt steigt der Innendruck etwa proportional zur absoluten Temperatur an, bis beim Berstdruck der Tank platzt. Die Arbeitsgemeinschaft der Leiter der Berufsfeuerwehren geht bei wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen „[…] davon aus, dass aufgrund der hohen Behältersicherheit ein Feuer gelöscht werden kann, bevor es zum Bersten der Druckgasbehälter kommt.“<ref>{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:Arbeitsgemeinschaft der Leiter der Berufsfeuerwehren|Arbeitsgemeinschaft der Leiter der Berufsfeuerwehren: }}{{#if:|{{#if:Wasserstoff und dessen Gefahren – Ein Leitfaden für Feuerwehren|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Wasserstoff und dessen Gefahren – Ein Leitfaden für Feuerwehren}}]{{#if:PDF| (PDF)}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.fwvbw.de/fileadmin/Downloads/Einsatz_Wasserstoffleitfaden.pdf%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Wasserstoff und dessen Gefahren – Ein Leitfaden für Feuerwehren}}}}|[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.fwvbw.de/fileadmin/Downloads/Einsatz_Wasserstoffleitfaden.pdf}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Wasserstoff und dessen Gefahren – Ein Leitfaden für Feuerwehren}}}}]}}{{#if:PDF| (PDF{{#if:2008-107{{#if: 2020-09-13 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Benzin breitet sich im Fall eines Tanklecks am Boden oder auf einer Gewässeroberfläche aus. Benzindampf ist schwerer als Luft, bleibt in Bodennähe konzentrierter und kann in Abflüsse oder tieferliegende Geschosse rinnen. Ausgetretener Wasserstoff hingegen strebt durch den Auftrieb nach oben und kann sich unter der Decke eines geschlossenen Raums ansammeln oder durch Abluftkanäle strömen. Bei einer für Brennstoffzellen-Pkw typischen geringen Speicherkapazität von maximal 5 kg Wasserstoff mit ca. 600 MJ (167 kWh) Heizwert ist die Brandlast geringer als diejenige von 20 Liter Benzin.<ref name="energie-lexikon.info Benzin">{{#if:|{{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}| |}}}}{{#if:Rüdiger Paschotta|Rüdiger Paschotta: }}{{#if:|{{#if:Benzin|[{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|archivURL|1={{#invoke:URLutil|getNormalized|1={{{archiv-url}}}}}}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel=Benzin}}]{{#if:| ({{{format}}})}}{{#if:| {{{titelerg}}}{{#invoke:Vorlage:Internetquelle|Endpunkt|titel={{{titelerg}}}}}}}}}|{{#if:https://www.energie-lexikon.info/benzin.html%7C{{#if:{{#invoke:TemplUtl%7Cfaculty%7C}}%7C{{#invoke:Vorlage:Internetquelle%7CTitelFormat%7Ctitel={{#invoke:WLink%7CgetEscapedTitle%7C1=Benzin}}}}%7C[{{#invoke:URLutil|getNormalized|1=https://www.energie-lexikon.info/benzin.html}} {{#invoke:Vorlage:Internetquelle|TitelFormat|titel={{#invoke:WLink|getEscapedTitle|1=Benzin}}}}]}}{{#if:| ({{{format}}}{{#if:energie-lexikon.info{{#if: 2022-12-19 | {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}||1}}}}
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Energiedichten im Vergleich
(siehe auch: Abschnitt Liste von Energiespeichern im Artikel Energiedichte von Energiespeichern)
Angegeben ist bei den Brennstoffen der Heizwert, nicht der Brennwert.
Auf die Masse bezogen (in kWh/kg)
- Wasserstoff: 33,3
- Wasserstoff-Speicher mit Perhydro-N-Ethylcarbazol: 1,9
- Erdgas: 13,9
- Benzin: 11,1–11,6 (40,1–41,8 MJ/kg)<ref name="ARAL-Daten">Welchen Heizwert haben Kraftstoffe? In: aral.de, abgerufen am 11. März 2012</ref><ref name="massebezogen" group="Anmerkung">Der massebezogene Energiegehalt schwankt je nach Zusammensetzung und ist von Benzin und Diesel wegen der unterschiedlichen Dichten annähernd gleich</ref>
- Diesel: 11,8–11,9 (42,8–43.1 MJ/kg)<ref name="ARAL-Daten" /><ref name="massebezogen" group="Anmerkung" />
- Methanol: 6,2
- LOHC (N-Ethylcarbazol): 1,93<ref name="Arlt Vergleich">Benjamin Müller, Karsten Müller, Daniel Teichmann, Wolfgang Arlt: Energiespeicherung mittels Methan und energietragenden Stoffen – ein thermodynamischer Vergleich. Chemie Ingenieur Technik, 2011, 83, 2002–2013; doi:10.1002/cite.201100113.</ref>
- Li-Ionen-Batterie: 0,2 (ca., abhängig vom Typ)
(Quelle:<ref name="hydox.de">Energieinhalte im Vergleich. In: Hydox.de, abgerufen am 11. März 2012</ref><ref name="carbazol">Wolfgang Arlt: <templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20120330102356
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}}
}}
}}, Elektor, 30. Juni 2011.</ref>)
Auf das Volumen bezogen (in kWh/l)
- Wasserstoffgas (Normaldruck): 0,003
- Wasserstoffgas (20 MPa / 200 bar): 0,53
- Wasserstoffgas (70 MPa / 700 bar): 1,855
- Wasserstoffspeicherung mit Perhydro-N-Ethylcarbazol: 2,0
- Wasserstoff (flüssig, −253 °C): 2,36
- Erdgas (unter Druck bei 20 MPa): 2,58
- Methanol: 4,99
- Benzin: 8,2–8,6<ref name="ARAL-Daten" /><ref name="volumenbezogen" group="Anmerkung">Die volumenbezogenen Energiegehalte schwanken recht stark durch Abhängigkeit von Temperatur (ARAL: 15 °C) und Mischungsverhältnissen der Bestandteile</ref>
- Diesel: 9,7<ref name="ARAL-Daten" /><ref name="volumenbezogen" group="Anmerkung" />
- LOHC (N-Ethylcarbazol): 1,89<ref name="Arlt Vergleich" />
- Li-Ionen-Batterie: 0,25–0,675
Siehe auch
- Wasserstofftechnologie
- Wasserstoffherstellung
- Ortho- und Parawasserstoff#Herstellung und Lagerung von flüssigem Wasserstoff
Weblinks
[{{canonicalurl:Commons:{{#if:Hydrogen storage|Hydrogen storage|{{#invoke:WLink|getArticleBase}}}}|uselang=de}} Commons: {{#if:Wasserstoffspeicherung|Wasserstoffspeicherung|{{#if:Hydrogen storage|Hydrogen storage|{{#invoke:WLink|getArticleBase}}}}}}]{{#switch:1
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| , Videos und Audiodateien
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|opt= 1= 2= suffix= audio= video= |template=Vorlage:Commons |cat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Schwesterprojekt}}
- Hydrogeit – der Wasserstoff-Guide
- Deutscher Wasserstoff und Brennstoffzellen-Verband e. V.
- Vorlage:IDW-online
- Power to Methanol – als Langzeitspeicher unverzichtbar für den Klimaschutz, Solarenergie Förderverein Deutschland e. V., Aachen
Einzelnachweise und Anmerkungen
<references /> Anmerkungen <references group="Anmerkung" />
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