Unterirdische Speicherung von Wasserstoff

Uniper Erdgasspeicher in Epe

Für die Energiewende ist die Speicherung von Wasserstoff entscheidend. Sie ermöglicht einen Ausgleich zwischen Produktion und Verbrauch. Wasserstoffspeicher sind also für die Stabilität eines Energiesystems entscheidend und tragen wesentlich zur Versorgungssicherheit bei. Wasserstoff kann sowohl unter- als auch oberirdisch gespeichert werden. Die Wahl des Speichertyps hängt von lokalen Gegebenheiten, der benötigten Kapazität und dem Einsatzzweck ab. Um große Mengen Wasserstoff zu speichern, werden unterirdische Speicher benötigt. Durch ihre hohe Kapazität können Wasserstoffspeicher saisonale Schwankungen erneuerbarer Energien ausgleichen und Engpässe überbrücken. Es gibt zwei Formen von unterirdischen Wasserstoffspeichern: Kavernen- und Porenspeicher.

Grafik des Kavernenspeicher HPC Krummhörn

Kavernenspeicher: Aufbau und Funktion 

Kavernenspeicher sind künstliche Hohlräume, die in unterirdischen Salzstöcken angelegt werden. Sie entstehen in zwei Schritten. Der erste ist die Bohrung des Hohlraums viele hundert Meter unter der Erdoberfläche – die tiefsten Kavernenspeicher Deutschlands liegen bis zu 2,5 Kilometer tief. Auch die Größe der Hohlräume ist beachtlich: Sie können bis zu 100 Meter Durchmesser und Höhen zwischen 50 und 500 Metern besitzen. So kommen sie auf ein Fassungsvermögen von bis zu mehreren Hunderttausend Kubikmetern und bieten damit ideale Bedingungen für die Langzeitspeicherung.

Der zweite Schritt ist die Aussolung. Dabei wird das in den ausgebohrten Hohlräumen vorhandene Salz entfernt, indem es in eingespritztem Wasser gelöst und anschließend an die Erdoberfläche gepumpt wird. Übrig bleiben zylinderförmige Hohlräume, die als „Kavernen" bezeichnet werden. Aufgrund der mineralischen Eigenschaften von Salz und der Dicke der Salzstöcke bieten sie eine natürliche Dichtheit für Gase, sodass zusätzliche Auskleidungen der Kavernenwand nicht notwendig sind. Der Kavernenspeicher ist also ein dichter, unterirdischer Hohlraum, in den das Gas wie Flüssigkeit in eine Flasche gefüllt werden kann. Die Technik ist bereits aus der Erdgasspeicherung bekannt und wird nun für Wasserstoff adaptiert.

Die Umrüstung einer bestehenden Kavernenspeicheranlage dauert durchschnittlich bis zu fünf Jahre, denn der Austausch aller Komponenten ist fast so aufwendig, als würde man eine neue Anlage bauen. Der Neubau eines Kavernenspeichers kann übrigens bis zu zehn Jahre in Anspruch nehmen. Hier müssen zunächst umfangreiche geologische Vorarbeiten getätigt, zahlreiche behördliche Genehmigungen eingeholt und geeignete Standorte für die Obertageanlage gefunden werden, bevor die Initialbohrung erfolgen kann. 

Grafik des Porenspeicher HyStorage

Porenspeicher: Aufbau und Funktion 

Porenspeicher, auch „Gesteinsporenspeicher“, „Lagerstättenspeicher“ oder „Speicher in porösen Gesteinsformationen“ genannt, sind Lagerstätten in Kalk- und Sandsteinschichten. Hier hat sich im Laufe von Jahrmillionen Erdgas angesammelte. Oftmals handelt es sich bei den heutzutage verwendeten Gesteinsformationen um erschöpfte Erdgas- oder Erdölfelder. Nach dem Ende der Förderung können diese Erdgaslagerstätten zu Untergrundspeichern umgebaut werden. Das poröse Gestein, in dem zuvor Erdgas enthalten war, nimmt das eingespeicherte Gas wie ein Schwamm auf. Die Decke des Porenspeichers besteht aus einer geschlossenen Gesteinsschicht, die verhindert, dass Gas ausströmen kann. Porenspeicher verfügen über ein Speichervolumen von bis zu mehreren Millionen Kubikmetern.

Während Porenspeicher für die langfristige Speicherung von Erdgas eine wichtige Rolle spielen, wurde ihre Nutzung für Wasserstoff bislang kaum untersucht. Der Grund: Die Einspeisung und langfristige Lagerung sind hier ist ziemlich anspruchsvoll. Denn Wasserstoff ist sehr reaktionsfreudig gegenüber organischem Material und einigen Mineralien. Das führt dazu, dass er während der Speicherung mit umliegenden Stoffen reagieren und sich chemisch verändern kann oder aber, dass er durch die Mineralien oder Restgase verunreinigt wird.

Vor- und Nachteile der Speicherformen

Der Vorteil von Kavernenspeichern liegt darin, dass eine Ein- bzw. Ausspeicherung von Gas hier schnell und flexibel erfolgen kann. Hinzu kommt, dass man davon ausgehen kann, dass der eingespeicherte Wasserstoff genauso wieder herauskommt. Daher sind sie für grünen Wasserstoff geradezu ideal.

Bei Porenspeichern ist hingegen unklar, wie rein der ausgelagerte Wasserstoff noch ist. Da bei manchen Wasserstoff-Anwendungen Verunreinigungen die Anlagen beschädigen können, spielt die Reinheit des Gases eine bedeutende Rolle. Die Forschungen zur Wasserstoffqualität nach der Ausspeicherung aus einem Porenspeicher laufen noch.  

Vergleich der Gasspeicherkapazitäten in der EU

Neue Speicher braucht das Land 

Die im April 2024 von Uniper veröffentlichte Marktkonsultation zeigt einen hohen Bedarf an Wasserstoffspeichern ab 2029. Außerdem signalisiert sie, wie wichtig das Thema für wie viele Akteure ist: Neben Energieversorgern waren auch Kraftwerksbetreiber, Wasserstoffproduzenten, industrielle Wasserstoffabnehmer und Gashändler in die Befragung eingebunden.

Die Ergebnisse deckten sich dabei mit denen anderer Studien. So zeige eine aktuelle Analyse des Verbandes Gas Infrastructure Europe (GIE), dass EU-weit rund 45 TWh an Wasserstoffspeicher-Kapazität bis 2030 und etwa 300 TWh bis 2050 benötigt werden. Zum Vergleich: Aktuell sind nur Vorhaben mit rund 9 TWh bis 2030 bzw. 21,5 TWh bis 2050 in Planung – das konkret geplante Speichervolumen ist also rund drei bzw. 15-Mal niedriger als der erwartete Bedarf.  

In den nächsten Jahren müssen demzufolge riesige unterirdische Gasspeicher in ganz Europa gebaut oder für die Speicherung von Wasserstoff ertüchtigt werden. Da Deutschland für die Gasspeicherung die geologisch besten Bedingungen aufweist, dürfte der Markt für Umrüstungen und Neubau hierzulande besonders groß werden. 

Obertageanlage am Speicherstandort Krummhörn

Beispiel Krummhörn 

Der Speicherbetreiber Uniper Energy Storage hat im August den Wasserstoff-Kavernenspeicher im niedersächsischen Krummhörn in Betrieb genommen. Der Standort des Projekts „Hydrogen Pilot Cavern - HPC Krummhörn“ befindet sich in der Nähe von Wilhelmshaven, wo mehrere Elektrolyseprojekte geplant sind und perspektivisch große Wasserstoffmengen in Form von Ammoniak anlanden könnten.  

Für das Projekt hat Uniper eine bereits bestehende Bohrung genutzt, aus der die Pilotkaverne entwickelt wurde. Zunächst ist die Anlage noch relativ klein dimensioniert. Das Ziel des Gashändlers ist, zu zeigen, wie schnell ein neuer Kavernenspeicher überhaupt in den Betrieb überführt werden kann – das interessiert die ersten Wasserstoffkunden am meisten.  

Anschließend soll der Standort kommerziell weiterentwickelt werden, um dem Markt in einem ersten Schritt eine Speicherkapazität von 250 GWh bereitzustellen. 

Mehr über die Hintergründe der Speicherprojekte von Uniper Energy Storage sowie die Rolle der Wasserstoffspeicherung für die Energiewende insgesamt erfahren Sie im Interview von H₂News mit Doug Waters, Geschäftsführer von Uniper Energy Storage.

Einweihung des Wasserstoffspeichers in Krummhörn am 26. August 2024