Untergrundspeicherung
Erneuerbare Energiequellen sind eine Alternative zu fossilen Brennstoffen und die damit einhergehenden anthropogenen Treibhausgasemissionen.
Erneuerbare Energiequellen wie Sonne und Wind unterliegen saisonalen Schwankungen und variieren je nach Wetterbedingungen. In Verbindung mit der schwankenden Energienachfrage, ergeben sich damit wiederkehrend Energieüberschüsse und -defizite. Um die Überschüsse bzw. Defizite zu puffern, bedarf es einem Speichermedium, in dem Energie aus erneuerbaren Energiequellen gespeichert bzw. abgerufen werden kann. Wasserstoff (H2) bietet sich als Energieträger für umweltfreundliche erneuerbare Energiequellen an, insbesondere als saisonaler und großvolumiger Energiespeicher. Allerdings erfordert die erfolgreiche Umsetzung einer auf Wasserstoff basierenden Wirtschaft ausreichende Kapazitäten zur Speicherung. In diesem Zusammenhang gelten künstliche Untergrundspeicher (Kavernen) und natürliche Untergrundspeicher (Porenspeicher) als vielversprechende Optionen, um größere Mengen Wasserstoff in unterirdischen geologischen Formationen zu speichern und so Angebots- bzw. Nachfragespitzen zu puffern.
Die Untergrundspeicherung von Wasserstoff wird als Schlüssel zur Verwirklichung der ambitionierten Ziele der EU und Deutschland für die umfassende Nutzung von sauberem Wasserstoff in verschiedenen Wirtschaftssektoren sowie zur Realisierung einer grundlegenden Dekarbonisierung des Stromsektors bezeichnet. Angesichts des wachsenden Drucks, den Klimawandel einzudämmen und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, gewinnt die effiziente Speicherung von Wasserstoff in unterirdischen Formationen zunehmend an Bedeutung. Diese Entwicklung verspricht nicht nur eine zuverlässige Versorgung mit grüner Energie, sondern auch einen wichtigen Schritt hin zu einer nachhaltigeren Energiezukunft für Europa und darüber hinaus.
Das Hessische Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG) spielt in diesem Projekt eine zentrale Rolle bei der Datenerhebung und -aufbereitung zur Wasserstoffspeicherung in Hessen. In mehreren Arbeitspaketen (AP) werden wissenschaftliche Erkenntnisse auf nationaler und internationaler Ebene (AP 1) zusammengetragen, bekannte und potenzielle Speichergebiete identifiziert (AP 2), die vorhandene Informations- und Datenlage im HLNUG analysiert (AP 3) sowie externe Informationen und Daten eingeholt (AP 4). Zusätzlich erfolgt eine Sichtung und der Abgleich externer Daten (AP 5) sowie die Kommunikation der Ergebnisse an relevante Akteure und die Öffentlichkeit (AP 6).
Der Begriff "Untergrundspeicher" wird in Deutschland im Bundesberggesetz (BbergG) definiert. Gemäß § 4 Absatz 9 bezeichnet der Begriff "Untergrundspeicher" eine Anlage zur unterirdischen behälterlosen Speicherung von Gasen, Flüssigkeiten und festen Stoffen mit Ausnahme von Wasser unter der Erdoberfläche. Dies kann beispielsweise durch Einspritzen in freie Porenräume der Gesteinsschichten, in dafür geschaffene Kavernen oder aber durch das Einbringen in Bergwerke erfolgen.
Ein Untergrundspeicher hat somit die Aufgabe, flüssige oder gasförmige Energieträger wie z.B. Wasserstoff, Druckluft u.a., oder aber Rohstoffe wie Erdgas, Flüssiggas und Erdöl in natürlichen oder künstlich geschaffenen Hohlräumen in tiefliegenden geologischen Schichten oder Grundwasserleitern (Aquiferen) zu lagern. In Deutschland werden meistens Erdgas und Erdöl unter der Erde gespeichert. Die Speicherung von Wasserstoff (H2) gewinnt jedoch zunehmend an Bedeutung und auch die Versenkung von Kohlendioxid (CO2) ist wieder im Gespräch.
Es ist wichtig zu wissen, dass mit dem Begriff „Speicherung“ normalerweise die Absicht verbunden ist, die gelagerten Stoffe wieder an die Erdoberfläche zurückzuholen. Gelegentlich wird die langfristige unterirdische Deponierung von Kohlendioxid als CO2-Speicherung (engl. carbon capture and storage, CCS) bezeichnet.
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Es gibt vier bekannte Beispiele für die unterirdische Speicherung von reinem Wasserstoff, die häufig in der wissenschaftlichen Literatur erwähnt werden: Teesside in Yorkshire (UK), Clemens (USA), Moss Bluff (USA) und Spindletop (USA).
Das gemeinsame Merkmal aller vier Standorte ist, dass die Speicher in Salzstrukturen ausgebildet sind. Teesside in Yorkshire (UK), wird seit 1972 von Sabic Petroleum betrieben und speichert reinen Wasserstoff (95% H2 und 3-4% CO2) in drei Salzkavernen, die von nahe gelegenen Industrieanlagen bei der Herstellung von Ammoniak und Methanol genutzt werden. Die Salzkavernen befinden sich in oberpermischen Salzablagerungen und sind ellipsoidisch geformt.
Im Vergleich zu dem Standort im Vereinigten Königreich sind die anderen drei Salzstrukturen in Texas (USA) relativ tief gelegen. Der Clemens-Salzstock wird seit 1983 von ConocoPhilips betrieben. Der Clemens-Salzstock besteht aus drei Salzkavernen, die 95 % Wasserstoff speichern, und ist mit der Old Ocean Raffinerie verbunden. Er hat eine zylindrische Form, die 300 m hoch ist und einen Durchmesser von 49 m aufweist. Praxair betreibt die Moss Bluff-Salzkaverne seit 2007. Sie ist angebunden an das Praxair Golfküsten-Wasserstoff-Pipelinenetz für den petrochemischen Bedarf von Texas und Louisiana. Die Salzkaverne ist 580 m hoch und hat einen Durchmesser von etwa 60 m. Die neueste Spindletop-Kaverne (seit etwa 2017 von Air Liquide betrieben) ist derzeit der größte Wasserstoffspeicher der Welt.
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| Teesside (UK) | Clemens (USA) | Moss Bluff (USA) | Spindletop (USA) | |
| Salzformation | Schichtensalz | Salzstock | Salzstock | Salzstock |
| Betreiber | Sabic Petroleum | ConocoPhilips | Praxair | Air Liquide |
| Inbetriebnahme (Jahr) | 1972 | 1983 | 2007 | 2017 |
| Volumen (m³) | 210.000 (3 x 70.000) | 580.000 | 566.000 | 906.000 |
| Durchschnittliche Tiefe (m) | 365 | 1.000 | 1.200 | 1.340 |
| Druckbereich (bar) | 45 | 70-137 | 55-152 | 68-202 |
Netto gespeicherte Energie (GWh) Anzahl der 3 und mehr Personenhaushalte, die damit versorgt werden können [4] | 27 Ca. 5.000 | 81 ca. 15.000 | 123 Ca. 22.780 | 274 Ca. 50.740 |
| Mögliche Arbeitsgaskapazität (1000 t) | 0,83 | 2,56 | 3,72 | Keine Informationen verfügbar |
Die Untergrundspeicherung stellt im Vergleich zu oberirdischen Speicherlösungen eine kosteneffiziente Option dar. Laut einer Analyse des Energie-Wirtschaft-Instituts (EWI) liegen die Speicherkosten in Salzkavernen zwischen 0,66 und 1,75 Euro pro Kilogramm Wasserstoff.
Eine zuverlässige Energieversorgung erfordert großvolumige Speicherlösungen. Doch derzeit gibt es weltweit nur wenige Pilotprojekte, die die Anwendbarkeit von Wasserstoffspeichern validieren. Zu diesen Beispielen zählen das Pilotprojekt der RAG Austria in Österreich und das Hychico-Projekt in Argentinien. Fortlaufende Feld- und Laboruntersuchungen sind erforderlich, um großvolumige Speicherlösungen zu etablieren.
Die Untergrundspeicherung von Wasserstoff zielt darauf ab, bestehende Schwankungen im Energieangebot beim Import und Verbrauch von Energie auszugleichen und Spitzenlasten zu decken. Darüber hinaus ist es wichtig, eine strategische Energiereserve zu gewährleisten. Die unterirdische Speicherung von Wasserstoff bietet vielfältige Vorteile und hat das Potenzial, eine Schlüsselkomponente eines nachhaltigen Energiesystems für Deutschland und Europa zu sein.
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Damit Gase oder Flüssigkeiten im Untergrund gespeichert werden können, bedarf es allgemein einem Speichergestein, das in geeigneter Tiefe ein ausreichendes Hohlraumvolumen (Porosität) und eine ausreichende Durchlässigkeit (Permeabilität) besitzt. Über dem Speicherhorizont müssen abdichtende und ausreichend mächtige Schichtpakete z.B. aus Ton, Tonstein oder Salz liegen. Diese Deckschichten bilden eine geologische Barriere und verhindern ein ungewolltes Entweichen des gespeicherten Mediums in vertikaler Richtung bis an die Erdoberfläche. In Abhängigkeit von den örtlichen Lagerungsverhältnissen des Untergrundspeichers muss dieser auch seitlich sowie an seiner Basis von einer abdichtenden Gesteinsformation umgeben sein, sodass auch in diese Richtungen ein Entweichen des gespeicherten Mediums nicht möglich ist. In sogenannten „geologischen Fallenstrukturen“ im tiefen Untergrund können sich eingespeicherte Gase bzw. Flüssigkeiten an Ort und Stelle halten, ohne dass sie an andere Stellen innerhalb der Speicherformation entweichen. Dabei wird zwischen strukturellen (Sattelstrukturen bzw. störungsgebunden) und stratigraphischen (gesteinsgebunden) Fallen unterschieden.
Alternativ ist es möglich, künstlich erschaffene Hohlräume komplett in abdichtenden Gesteinsschichten wie z.B. Salz zu errichten.
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Es gibt zwei Arten von Untergrundspeichern: Natürliche und Künstliche.
Zu den natürlichen Untergrundspeichern gehören Porenspeicher, die aus Sedimentgesteinen wie Sandstein oder Lockersedimenten wie Sanden, Kiesen und Sand-Kies-Gemischen bestehen. Diese Speicher haben aufgrund ihrer Porosität (Hohlraumvolumen) und Permeabilität (Durchlässigkeit) die Fähigkeit, Gase und Flüssigkeiten aufzunehmen. Ausgeförderte Erdgas- und Erdöllagerstätten eignen sich dabei besonders gut für die Nutzung als Untergrundspeicher. Aquiferspeicher sind eine weitere Form natürlicher Untergrundspeicher, bei denen Gas in einen Grundwasserleiter eingebracht wird.
Zu den künstlichen Untergrundspeichern gehören die Kavernenspeicher, große von Menschenhand geschaffene unterirdische Hohlräume. Salzkavernen, die durch die Aussolung von Salzlagern und -stöcken angelegt werden, bieten aufgrund ihrer natürlichen Dichtheit eine gute Möglichkeit für die Speicherung. Derzeit gibt es weltweit vier kommerziell genutzte Kavernen im Salzgestein, die für die Speicherung von Wasserstoff genutzt werden. Mit Stand Februar 2024 sind keine kommerziell genutzten Porenspeicher für Wasserstoff bekannt
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| Geologische Formation | Allgemein | Vorteile | Nachteile | Nutzung |
| Salzkaverne | Künstliche unterirdische Hohlräume in Salzstöcken oder Salzschichten, die durch eine kontrollierte Injektion von Süßwasser und Auslaugung von Salz geschaffen werden. | Die plastischen Eigenschaften des Salzes schützen Kavernen vor dem Auftreten und der Ausbreitung von Brüchen und dem Verlust der Dichtheit. Es ist davon auszugehen, dass mikrobielle Aktivitäten innerhalb einer Salzkaverne gering bis nicht vorhanden sind. Mikroben können Wasserstoff umwandeln und somit die Reinheit vermindern. Es kann reines H2 gespeichert werden. | Begrenztes Kavernenvolumen im Vergleich zu einem Aquifer/ zu einer ausgeförderten Lagerstätte. Aufgrund der Eigenschaft von Salz, sich unter hohen Drücken und Temperaturen zu verformen, ist es schwierig, die Stabilität mit zunehmender Tiefe sicherzustellen. | Salzkavernen im Vereinigtem Königreich und der USA für die Speicherung von reinem Wasserstoff |
| Aquifer (Grundwasserleiter) | Poröses und durchlässiges Fest- bis Lockergestein (typischerweise Sandsteine oder Karbonatgesteine), die Süß- oder Salzwasser enthalten. | Verbreitet in allen Sedimentbecken. Energieverbraucher wie z.B. Industriekomplexe sind oft in der Nähe errichtet. Sie besitzen eine hohe Kapazität. | Die geologische Struktur ist meist unbekannt und daher sind beträchtliche Investitionskosten und zeitaufwendige Erkundungsarbeiten zu erwarten. Mögliche Gasverluste aufgrund von Vorhandensein von Wasser, biologischen und chemischen Reaktionen. | Erdgas- und Kohlendioxidspeicherung (Belgien, Dänemark, Norwegen, Frankreich und Deutschland), wenn weder ausgeförderte Gas- oder Ölfelder noch Kavernen verfügbar sind. |
| Ausgeförderte Gas- und Öllagerstätten | Durchlässige Sandsteine oder Karbonatgesteine | Das Vorhandensein von ober- und unterirdischer Infrastruktur. Die geologische Struktur ist in der Regel gut bekannt, sodass niedrigere Investitionskosten zu erwarten sind. Die Dichtigkeit aufgrund der ehemaligen Ansammlung von Gas ist schon nachgewiesen. Das in ausgeförderten Gaslagerstätten verbliebene Gas kann als Kissengas dienen. | Das Vorhandensein von Kohlenwasserstoffrückständen in Lagerstätten verringert die Reinheit des Wasserstoffs. Es ist möglich, dass Wasserstoff durch chemische Reaktionen zu Methan umgewandelt wird oder in Lösung und somit verloren geht. | Erdgasspeicher |
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Es ist bekannt, dass die Auswahlkriterien für unterirdische Erdgasspeicher oder die Einlagerung von Kohlendioxid bis zu einem gewissen Grad auch für die Entwicklung von unterirdischen Wasserstoffspeichern herangezogen werden können. Als grundlegende Randbedingungen schlagen Bouteldja et al. (2021) für Porenspeicher folgende Kriterien vor:
- Mächtigkeit des Speichers zwischen 3 und 100 m,
- minimale Ausdehnung von 0,3 km2,
- maximale Ausdehnung von 60 km2,
- minimale Tiefe von 500 m,
- maximale Tiefe der oberen Grenze des Speichers von 2500 m,
- abdichtende undurchlässige Deckschicht,
- gut ausgebildete Porosität (Hohlraumvolumen) und Permeabilität (Durchlässigkeit),
- eine Tiefe, die einen Druck erzeugt ähnlich dem Druck des Versorgungsnetzes,
- Formationsfluide im Speicher ohne Einfluss auf den gespeicherten Wasserstoff sowie keine Korrosion an der Infrastruktur,
- eine gut dokumentierte Explorations- und Produktionshistorie für eine ausgeförderte Lagerstätte.
Für Salzkavernen fassen Małachowska et al. (2022) folgende Kriterien zusammen:
- Tiefen bis ca. 1800 m, da ansonsten die Deformation durch erhöhte Drücke und Temperaturen zu stark ist und die Stabilität nicht mehr gewährleistet werden kann (Lord et al. 2014),
- Kapazitäten von ca. 30.000 m3 bis mehr als 700.000 m3,
- Temperaturen von ca. 40 °C bis 260 °C,
- Drücke von 4 MPa bis 24 MPa; überwiegend 10 MPa.
Allerdings ist eine direkte Übertragung nicht möglich, da sich die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Wasserstoff von Erdgas und Kohlendioxid unterscheiden. Daher ist weitere Forschung erforderlich, um das Verhalten von Wasserstoff im Untergrund besser zu verstehen.
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In Hessen gibt es 6 ehemalige Gas- und Ölfelder. In Stockstadt fördert das Unternehmen Rhein Petroleum aktuell wieder heimisches Öl.
Hier finden Sie weitere Informationen zu Kohlenwasserstoffen in Hessen.
Der Untergrundgasspeicher (UGS) Stockstadt befindet sich im nördlichen Teil des Oberrheingrabens und war ursprünglich ein altes Erdgasfeld. Er befindet sich am Top einer Sattelstruktur (Antiklinale: durch Faltung erzeugte Aufwölbung geschichteter Gesteine). Der Untergrundspeicher wird seitlich von Verwerfungen mit unterschiedlichen Orientierungen begrenzt. Er besitzt eine ungefähre Mächtigkeit von 40 Metern, seine Oberkante liegt in einer Tiefe von 360 m unter dem mittleren Meeresspiegel NN (ca. 450 m unter Geländeoberkante GOK). Die geologischen Schichten des Untergrundspeichers sind zwei Horizonte mit unverfestigtem tertiären Sand, veraltete Bezeichnung Jungtertiär II und heutige Bezeichnung Iffezheim-Formation. Diese ehemals erdgasreichen Sande sind innerhalb der Schichtenfolge bekannt als Sand 7 mit einer Mächtigkeit von 5 Metern und Sand 8 mit einer Mächtigkeit von 15 Metern. Sie werden von einer 25 m dicken Tonschicht voneinander getrennt. Sand 7 und Sand 8 liegen bei 400 m (ca. 490 m unter GOK) bzw. 360 m (ca. 450 m unter GOK) unter dem mittleren Meeresspiegel. Der Untergrundspeicher Hähnlein nutzt einen Aquifer.
Die BEB Erdgas Erdöl GmbH entwickelte ursprünglich den Untergrundspeicher Stockstadt, der seit 1963 in Betrieb ist. Ende 1985 ging er in den Besitz der Ruhrgas AG über. Seit 2016 betreibt die MND Gas Storage Germany GmbH die beiden Untergrundspeicher Hähnlein und Stockstadt.
Zusammen haben beide Anlagen Stockstadt und Hähnlein ein Arbeitsgasvolumen von ca. 2,3 Terawattstunden (TWh), was ca. 235 Millionen m3 Erdgas entspricht. Stockstadt macht etwa 60 % des gesamten Speichervolumens aus.
Das Gasfeld Wolfskehlen befindet sich ca. 7 km nördlich der Stockstadt-Struktur und ist strukturell mit dieser verwandt. Beide Felder haben Erdgas aus den Sanden des oberen Jungtertiärs I gefördert. In der Wolfskehlen-Horststruktur wird die Oberkante der Lagerstätte (Jungtertiär I) in einer Tiefe zwischen 350 und 365 Metern unter dem mittleren Meeresspiegel NN (ca. 440 und 455 m unter GOK) angetroffen, während die Basis des Reservoirs in einer Tiefe von 420 bis 450 Metern unter dem mittleren Meeresspiegel NN (ca. 510 bis 540 m unter GOK) liegt. Die Eigenschaften der Lagerstätte ähneln denen der Lagerstätte Stockstadt.
Diese Felder erfüllen die erforderlichen Kriterien wie z.B. geeignete geologische Bedingungen, vorhandene Infrastruktur und Verfügbarkeit relevanter Daten, was sie zu vielversprechenden Kandidaten für die weitere Erkundung und Entwicklung im Zusammenhang mit der Energiespeicherung und Wasserstoffnutzung macht. Es gibt weitere stillgelegte bzw. ausgeförderte Lagerstätten, die Potenzial bieten.
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[1] https://www.gesetze-im-internet.de/bbergg/BJNR013100980.html
[2] https://www.gesetze-im-internet.de/enwg_2005/
[3] Roy, S. (2023): Literature Review - Underground Hydrogen Storage. Technische Universität Darmstadt.
[4] https://www.destatis.de/DE/Themen/Gesellschaft-Umwelt/Umwelt/UGR/private-haushalte/Tabellen/stromverbrauch-haushalte.html
[5] Götz, M., Lefebvre, J., Mörs, F., et al., “Renewable power-to-gas: A technological and economic review,” Renewable Energy, vol. 85, pp. 1371–1390, 2016, issn: 0960-1481. doi: 10.1016/j.renene.2015.07.066.
[6] Jaap Peterse, Luis Kühnen, Helena Lönnberg (2024): The role of underground hydrogen storage in Europe - H2eart for Europe; Guidehouse
[7] Schmitt, O. & Finkenwirth, A. (1971): Über die Möglichkeiten der unterirdischen behälterlosen Gasspeicherung im Lande Hessen. Wiesbaden. 114 Seiten.
[8] Małachowska, A., Łukasik, N., Mioduska, J., and Gębicki, J., “Hydrogen storage in geological formations—the potential of salt caverns,” Energies, vol. 15, no. 14, p. 5038, 2022, issn: 1996-1073. doi: 10.3390/en15145038
[9] Bouteldja, M., Acosta, T., Carlier, B., Reveillere, A., Jannel, H., and Fournier, C., “Definition of screening and scoring criteria for the selection of a hydrogen storage site in depleted fields or aquifers,” [Online]. Available: hystories.eu/wp- content/uploads/2021/05/D1.1- 0- Selection- criteria- for- H2- storagesites.pdf.
[10] Lord, A. S., Kobos, P. H., and Borns, D. J., “Geologic storage of hydrogen: Scaling up to meet city transportation demands,” International Journal of Hydrogen Energy, vol. 39, no. 28, pp. 15 570–15 582, 2014, issn: 0360-3199. doi: 10.1016/j.ijhydene.2014.07.121.
[11] https://www.zfk.de/energie/gas/ewi-analysiert-kosten-fuer-untertaegige-wasserstoffspeicher