Grüner Wasserstoff, erzeugt mit regenerativen Energien, soll zu einer tragenden Säule werden, um die Klimaziele zu erreichen. So hat es die Bundesregierung in ihrer Nationalen Wasserstoffstrategie 2020 beschlossen. In dieser Woche wurde auf der Deutschen Wasserstoffvollversammlung der Entwicklungsstand von Technologie, Produkten und Projekten diskutiert. Ein jetzt im Journal Energy & Environmental Sciences erschienenes Perspektiven-Papier nimmt die Herausforderungen und Wissenslücken bei der unterirdischen Speicherung von Wasserstoff in großem Maßstab in den Blick. Sie ist nach Ansicht der Autor*innen unerlässlich, wenn Wasserstoff sein Potenzial zum Erreichen von Netto-Null-Emissionen voll ausschöpfen soll. Verfasst wurde das Papier in Kooperation von GEO*8, einem Zusammenschluss führender europäischer geowissenschaftlicher Forschungsorganisationen, darunter auch das Deutsche GeoForschungsZentrum Potsdam, mit dem schottischen Projekt HyStorPor. Die Autor*innen sehen einen dringenden Bedarf an disziplinenübergreifender Forschung, um die sichere und effiziente unterirdische Speicherung von Wasserstoff zu realisieren.
Potenzial von Wasserstoff
Wasserstoff steht international im Fokus der Aufmerksamkeit, weil er dazu beitragen kann, Bereiche wie Verkehr, Heizung und energieintensive Industrien wie die Chemie- und Stahlindustrie zu dekarbonisieren. Vor allem ist er ein Schlüssel, um einen entscheidenden Nachteil der erneuerbaren Energieerzeugung zu mildern: ihre Unbeständigkeit. Überschüssige erneuerbare Energie kann durch Elektrolyse in Wasserstoff umgewandelt (grüner Wasserstoff) und so für die Nutzung in Zeiten hohen Energiebedarfs gespeichert werden.
Speicherung in unterirdischen Reservoiren
Um die Versorgung mit Wasserstoff in einer Größenordnung zu ermöglichen, die für eine kohlenstofffreie Zukunft erforderlich ist, müsse er in unterirdischen porösen Gesteinsformationen gespeichert werden, etwa in salzhaltigen Aquiferen und erschöpften Öl- und Erdgasreservoiren, heißt es in dem Papier. Trotz der beträchtlichen Möglichkeiten, die eine solche Speicherung bietet, ist sie noch weitgehend unerprobt und mit zahlreichen Unsicherheiten und Herausforderungen verbunden. Das liege, so die Autor*innen der Studie, vor allem an einer bislang unzureichenden systematischen Erforschung.
Wichtige Fragen offen
„Das Papier wertet den aktuellen Stand der Forschung zur Wasserstoffspeicherung aus und identifiziert die wichtigsten Herausforderungen, die angegangen werden müssen, um einen globalen Einsatz zu ermöglichen“, sagt Niklas Heinemann, HyStorPor-Forscher an der Universität Edinburgh und Erstautor der Studie. Dazu gehören das Fließverhalten von Wasserstoff in unterirdischen Lagerstätten, geochemische Reaktionen, die durch das Einbringen von Wasserstoff ausgelöst werden, biotische Reaktionen, die durch das Vorhandensein von überschüssigem Wasserstoff ermöglicht werden, und die geomechanische Reaktion des Untergrunds auf die Wasserstoffspeicherung.
Die Risiken, die von diesen Prozessen ausgehen, können schwerwiegende wirtschaftliche und sicherheitstechnische Folgen für den Speicherbetrieb haben. Die diskutierten Prozesse und ihre gekoppelten Einflüsse bilden die grundlegende Basis für Modelle auf Reservoir-Skala, um die Auswirkungen der saisonalen Wasserstoffspeicherung genau zu bewerten und vorherzusagen. Diese Vorhersagen können den Weg zu einer fundierten Entscheidungsfindung in Bezug auf Betriebsstrategien weisen, um eine sichere und effiziente Implementierung solcher Lagerstätten zu gewährleisten.
Vielfältige Forschung nötig
„Wir brauchen multidisziplinäre Forschung, um den sicheren, effizienten und dringend benötigten großtechnischen Einsatz der unterirdischen Speicherung zu realisieren“, sagt Jens Kallmeyer, Leiter des Labors für Aquatische Geochemie und Mitarbeiter der Sektion Geomikrobiologie am GFZ. „Dazu gehören Lagerstättentechnik, Chemie, Geologie und Mikrobiologie.“
Die vorliegende Studie geht zurück auf einen GEO*8-Workshop, der 2019 am GFZ abgehalten wurde.
Originalveröffentlichung: N. Heinemann, J. Alcalde, J. M. Miocic, S. J. T. Hangx, J. Kallmeyer, C. Ostertag-Henning, A. Hassanpouryouzband, E. M. Thaysen, G. J. Strobel, M. Wilkinson, C. Schmidt-Hattenberger, K. Edlmann, M. Bentham, R. S. Haszeldine, R. Carbonell and A. Rudloff, Enabling large-scale hydrogen storage in porous media – the scientific challenges, Energy Environ. Sci., 2021. DOI: 10.1039/D0EE03536J
Weiterführende Links:
GEO*8
HyStorPor
Wissenschaftlicher Kontakt:
Dr. Jens Kallmeyer
Sektion Geomikrobiologie
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