Fossile Energieträger wie Kohle oder Erdgas sollen künftig unter anderem Wasserstoff aus regenerativen Energiequellen ersetzen. Dazu muss das Gas sicher und dauerhaft gespeichert werden. Vielversprechend erscheint die Möglichkeit, Wasserstoff im Untergrund, etwa in Salzkavernen oder in durchlässigen Gesteinsschichten, zu lagern. Wie das Gas in Gesteinen gespeichert werden könnte, haben Fachleute unter Leitung der Universität Jena im Rahmen des Verbundvorhabens HyInteger untersucht.

Salzkavernen und die Gesteinsporen ausgeförderter Erdgaslagerstätten werden bereits seit Jahrzehnten verwendet, um Erdöl und Erdgas zu speichern. Auch Wasserstoff wird in Salzvorkommen gelagert. Dagegen ist es bislang nur wenig untersucht, wie Wasserstoff in Gesteinsporen ausgeförderter Erdgaslagerstätten gespeichert werden kann. (Als Poren bezeichnet man kleine Öffnungen und Löcher im Gestein.)

Fachleute überprüfen bestehende Erkenntnisse

Die Ergebnisse von Projekten wie H2Store weisen allerdings darauf hin, dass solche Lagerstätten auch Wasserstoff speichern könnten. Entscheidende Kriterien hierfür sind der Mineralbestand der Gesteine und der Salzgehalt des Wassers in den Gesteinsporen. Diese Ergebnisse konnte das Team des Forschungsprojekts HyInteger bestätigen. Zudem konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nachweisen, dass das Verbindungsstück zwischen Lagerstätte und Oberfläche, also die Bohrung, eines der größten Risiken eines ungewollten Gasaustritts birgt.

© Dr. Dieter Pudlo, Institut für Geowissenschaften, Friedrich-Schiller-Universität Jena

Aus diesen Bohrkernen hat das Team Probenmaterial für die Untersuchungen entnommen. © Dr. Dieter Pudlo, Institut für Geowissenschaften, Friedrich-Schiller-Universität Jena | Aus diesen Bohrkernen hat das Team Probenmaterial für die Untersuchungen entnommen.

Ziel bei HyInteger war, verschiedene poröse Gesteinsarten eingehend auf ihre Eignung als Porenspeicher zu untersuchen. Als Proben dienten Bohrkerne aus sechs verschiedenen potenziellen Wasserstofflagerstätten. Darunter waren Proben der österreichischen Pilotanlage Underground Sun.Storage sowie des argentinischen Partnerunternehmens Hychico.

Um zu verstehen, was die Beteiligten erforscht haben, muss man wissen: Die Poren im Gestein der ausgeförderten Erdgaslagerstätten sind nicht „leer“. Vielmehr sind sie mit Wässern durchsetzt, in denen Salze, Mineralien und andere Stoffe gelöst sein können. Je nach Zusammensetzung können diese sogenannten Fluide unterschiedlich mit Wasserstoff reagieren. Daher berücksichtigte das Team bei den Untersuchungen auch die Fluidzusammensetzungen, die in den jeweiligen Gesteinsarten natürlicherweise vorkommen.

Spannende Experimente im Labor

Zunächst untersuchten die Fachleute im Labor den Mineralbestand der Gesteinsproben und bestimmten Porosität und Durchlässigkeit. Die Porosität ist ein wichtiger Parameter, um zu ermitteln, wie viel Gas eingespeist werden kann. Die Durchlässigkeit, auch Permeabilität genannt, zeigt unter anderem an, mit wieviel Druck das Gas eingepresst werden muss.

Um festzustellen, wie sich Gestein, Fluide und Wasserstoff zusammen verhalten, setzten die Expertinnen und Experten Proben unterschiedlichen Temperaturen und Drücken aus. So konnten sie feststellen, ob Gestein und Fluid mit Wasserstoff reagieren und – besonders wichtig – ob sich die Porosität und die Durchlässigkeit des Gesteins verändert.

Salzgehalt beeinflusst Wechselwirkung mit Wasserstoff

Die Forscherinnen und Forscher machten zwei Gesteinstypen aus: Typ eins kommt in stark salzhaltiger Umgebung vor und reagiert stark mit Wasserstoff. Typ zwei tritt zusammen mit salzarmen Wässern auf und reagiert wenig oder gar nicht mit Wasserstoff.

Diese Ergebnisse übertrug das Team auf Deutschland. Die Erkenntnisse der Forschenden stimmen mit den geographischen Gegebenheiten überein: Erdgaslagerstätten in Süddeutschland eignen sich gut, um Wasserstoff zu speichern. Die Poren im Gestein enthalten größtenteils Wasser mit geringen Salzgehalt. Das Gestein selbst ist sehr homogen und es finden kaum Wechselwirkungen mit Wasserstoff statt.

© Dr. Dieter Pudlo, Institut für Geowissenschaften, Friedrich-Schiller-Universität Jena

Die mikroskopische Aufnahme eines porenreichen Speichersandsteins zeigt blau eingefärbte Poren zwischen hellen Quarz- und Feldspatkörnern. © Dr. Dieter Pudlo, Institut für Geowissenschaften, Friedrich-Schiller-Universität Jena | Die mikroskopische Aufnahme eines porenreichen Speichersandsteins zeigt blau eingefärbte Poren zwischen hellen Quarz- und Feldspatkörnern.

Porenspeicher in Norddeutschland hingegen enthalten sehr chloridreiche Fluide und die Gesteine enthalten häufig Karbonat- und Sulfatminerale. Diese reagieren stark mit reinem Wasserstoff, was zu teilweise drastischen Erhöhungen der Durchlässigkeit und Porosität führt.

Damit eignen sich Erdgaslagerstätten in Norddeutschland nur sehr eingeschränkt als Porenspeicher für Wasserstoff. Die geologischen Verhältnisse bieten hier jedoch die Möglichkeit, Wasserstoff in Salzkavernen zu speichern.

Team testet auch technische Komponenten

Neben den Gesteinsproben konnte das Team außerdem nachweisen, wie technische Installationen auf den direkten und dauerhaften Kontakt mit reinem Wasserstoff reagieren. Dieser wird über Bohrlöcher in die Porenspeicher eingebracht. Damit der unterirdische Speicher dicht von der Oberfläche sowie der Umwelt abgeschlossen ist, müssen die verwendeten Materialien korrosionsbeständig sein.

Für die Untersuchung verwendeten die Forscherinnen und Forscher repräsentative Stahl-, Zement und Polymerproben von Industriepartnern. Diese Materialproben wurden in Experimenten mit den Gesteinsproben kombiniert und verschiedenen Drücken und Temperaturen ausgesetzt. Hierbei wurden in den Gesteinsproben aus den norddeutschen Standorten teilweise deutliche Veränderungen festgestellt. Solche Reaktionen wurden für die süddeutschen Speicherstandorte jedoch nicht beobachtet. (ch)