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Stofflicher Speicher
BMBF
Analyse 27.3.2017

© KBB Underground Technologies

Wasserstoff unter Tage speichern

Lässt sich Strom unterirdisch langfristig in Form von Wasserstoff in

Erdgaslagerstätten speichern? Dieser Frage gingen Wissenschaftler im

Projekt H2STORE auf den Grund. Die Forscher untersuchen dabei

geohydraulische, mineralogische, geochemische und biogene

Wechselwirkungen bei der Wasserstoff-Speicherung unter Tage in

ausgedienten Gaslagerstätten.

Projektstatus Projekt abgeschlossen
Projektlaufzeit August 2012 bis Dezember 2015

Die Energiespeicherung in Form von Wasserstoff in unterirdischen Porenspeichern (z. B. Sandsteinreservoiren von ausgeförderten Erdgaslagerstätten) ist bisher kaum beachtet worden. Sie stellt aber im Rahmen des geplanten Energiewechsels in Deutschland möglicherweise eine bedeutende Speicheroption dar. Für eine unterirdische Speicherung von Wasserstoff wurden bisher lediglich Salzkavernen in Betracht gezogen. Die Nachteile solcher Kavernen sind beispielsweise begrenzte Speicherkapazität für eher kurz- bis mittelfristige Zeiträume und das Fehlen ausreichend vieler geeigneter Salzvorkommen für den Kavernenbau). Das kann gegebenenfalls durch die Nutzung von Sandsteinreservoiren ausgeglichen werden, da diese potenziell ein vielfach höheres Speichervolumen über mehrere Monate hinweg besitzen und weltweit in ausreichender Menge auftreten. Jedoch waren mögliche Wechselwirkungen zwischen Wasserstoff und solchen Sandstein-Reservoiren bislang nur ansatzweise untersucht worden. H2STORE untersucht daher detailliert solche möglichen Reaktionen mit besonderer Berücksichtigung der mineralogischen, chemischen, petrophysikalischen und mikrobiologischen Prozesse und deren Auswirkungen auf das Speichervermögen und die Dichtigkeit solcher Erdgaslagerstätten.

  • Hochdruck-Hochtemperatur Autoklav zur Untersuchung der geochemischen Wechselwirkungen zwischen Wasserstoff und dem Mineralbestand der Speichergesteine zur experimentellen Evaluation solcher Prozesse unter den spezifischen Lagerstättenbedingungen. © TU Clausthal, ITE
  • Hochdruck-Triaxialflutzellen zur Untersuchung des Einflusses der geochemischen Auswirkungen einer Wasserstoffinjektion auf die petrophysikalischen Eigenschaften der Speichergesteine. © TU Clausthal, ITE
  • Kapillardruckzellen zur Bestimmung der Kapillareigenschaften der Speichergesteine und deren Veränderungen infolge einer Wasserstoffinjektion. © TU Clausthal, ITE
  • BMBF H2STORE Abb5 acht © D. Pudlo, 2011
  • Mikroskopische Aufnahme eines Gesteinsdünnschliffes von einem Reservoir-Sandstein, der durch seine hohe Porosität (blau) besonders gut als Porenspeicher für z.B. Wasserstoff geeignet ist. Die hohe Porosität resultiert aus der Lösung durch zirkulierende Wässer hier ursprünglich vorhandener porenfüllender Minerale (Karbonat, Anhydrit) im Laufe der Versenkungsgeschichte dieser Sandsteine. Die weiß erscheinenden Körner sind vor allem Quarz, die bräunlich-gräulichen bestehen aus Feldspat und Gesteinsbruchstücken (Lithoklasten). © S. Henkel & D. Pudlo, 2012
  • Aufbau eines 225-Kilovolt-Mikro-Computertomographen an der Bundesanstalt für Materialforschung- und Prüfung, Berlin (BAM): Die rotierende Gesteinsprobe wird von einem energiereichen Röntgenstrahl in bis zu ~µm dünnen Schichten durchleuchtet, die dann mittels spezieller Software-Programme zu einem 3D-Bild kombiniert werden. © www.ct.bam.de
  • Die Abbildungen a und b zeigen rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von kleinen Gesteinsbruchstücken, in den u. a. dünne faserartige Tonminerale (Illite) auftreten. Diese Illite wachsen von den Kornoberflächen in den Porenraum hinein und reduzieren dadurch die Speicherqualität der Reservoire. Das Wachstum dieser Tonminerale fand wahrscheinlich bei Temperaturen um bis zu ~ 100°C in tieferen Versenkungsbereichen der Gesteine statt. © D. Pudlo, 2011
  • BMBF H2Store Abb 1 deutsch zwei © KBB Underground Technologies

Poren im Sandstein nutzen

Neben Salzkavernen könnten sich möglicherweise für solche Vorhaben vor allem ehemalige Erdgaslagerstätten und -speicher in porösen Sandsteinen eignen, die von überlagernden Ton- oder Salzschichten abgedichtet sind. Solche Erdgaslagerstätten waren über Jahrmillionen gasdicht und besitzen zudem die Eignung und Kapazität zur Speicherung hoher Gasvolumina.

Das H2STORE-Projekt untersuchte dabei die Möglichkeit einer längerfristigen Speicherung (~ einige Monate) von elektrischer Energie in Form von Wasserstoff im geologischen Untergrund. Hierfür betrachteten die Forscher vor allem Sandsteinabfolgen von weitgehend ausgeförderten Erdgaslagerstätten an fünf Standorten in Deutschland sowie aus zwei Lokationen in Österreich und Argentinien, an denen während der H2STORE-Projektlaufzeit H2CH4-Gemische in Pilotanlagen bereits in den Untergrund eingespeist wurden. Die Forscher untersuchten mögliche Reaktionen zwischen Gesteinen, Porenwasser, Mikroorganismen und Wasserstoff und deren Auswirkungen aus die Reservoire-EIgenschaften, wozu auch numerische Modellierungen mithilfe Software gehörten. Hierfür wurde die chemische, mineralogische, petrophysikalische und mikrobiologische Zusammensetzung der Gesteinsproben und des assoziierten Porenwassers vor und nach Laborexperimenten bestimmt, bei denen das Probenmaterial wasserstoffführenden Wässern ausgesetzt war. H2STORE konnte so etwa Basisdaten über das Verhalten von Wasserstoff in natürlichen porösen Medien bei ungefähr 40 bis 120 Grad Celsius und einem Druck von 4 bis 20 MPa (= ~ 700 bis 3.500 m Tiefe) liefern unter Bedingungen, die heute in den untersuchten Erdgasreservoiren herrschen. 

Methan als Option

Aktuelle Forschungen im Rahmen der CCS-Technologie zeigen, dass ausgeförderte Erdgaslagerstätten prinzipiell auch als CO2-Speicher genutzt werden könnten. Das Potenzial der geo-/mineralchemischen, physiko-chemischen und bio-chemischen Untersuchungen ist bisher unabsehbar. Neben der sicheren, längerfristigen Speicherung großer Mengen von Energie, ist prinzipiell  auch die Bildung von „grünem“ bzw. synthetischem Methan (Power-to-Gas-Technologie) möglich, da einige Bakterienstämme in der Lage sind aus Wasserstoff und CO2-Methan zu bilden. Eine solche Reaktion ließ sich in den durchgeführten Laborexperimenten allerdings nicht nachweisen, wobei vermutlich die standordspezifischen, hohen Salinitäten der Porenfluide eine Methanisierung verhinderten.

Grundlagenforschung für künftige Porenspeicher

In H2STORE wurde weitestgehend Grundlagenforschung betrieben. Ziel war es, das Verhalten von Wasserstoff in natürlichen porösen Medien unter erhöhten Druck- und Temperaturbedingungen zu untersuchen. Eine direkte wirtschaftliche Nutzung im Rahmen dieses Projektes war nicht zu erwarten. Allerdings konnten aus den Untersuchungsergebnissen einige potenzielle Rahmenbedingungen für die geologische Wasserstoff-Porenspeicherung abgeleitet werden. Dadurch wurde ein wichtiger Beitrag für die Beurteilung der Eignung sowie zur Abschätzung der Wirtschaftlichkeit künftiger Wind-Wasserstoff-Porenspeicher geliefert. Zudem besitzen einige der Forschungsergebnisse auch eine Relevanz für andere Bereiche, vor allem der Energieversorgung, wie zum Beispiel auf die Speicherung und den Transport von Wasserstoff in Erdgas-Pipelines, die Errichtung von Windparks, die Erweiterung der Herstellungsoptionen von „grünem“ Methan, etc..

Arbeitsschwerpunkte

Die Schwerpunkte und Arbeitsschritte der sechs beteiligten Teilprojekte unterteilen sich in folgende Hauptpunkte:

  • Bohrkern-Beprobung an verschiedenen Lokationen von konvertierten Gaslagerstätten und Erdgasspeichern;
  • Bestimmung der mineralogisch-geochemischen Zusammensetzung der Gesteinsproben und deren petrophysikalischer Eigenschaften (z.B. Porosität, Permeabilität), wobei Proben, die in den Laborexperimenten genutzt wurden (s. Punkt 3) besonders detailliert untersucht werden;
  • Durchführung von Laborexperimenten unter Nutzung der gewonnenen Gesteinsproben bei Reservoir-Bedingungen (z. B. Druck, Temperatur). Hierzu werden die Proben u. a. den standort-spezifischen Formationsfluiden, denen Wasserstoff zugesetzt wurde, ausgesetzt. Zur Klärung inwieweit es zu Reaktionen zwischen Wasserstoff und den Reservoir-Bestandteilen kam, wurden u. a. folgende Parameter bestimmt: Minerallösungen bzw. -fällungen, Veränderungen in den petrophysikalischen Eigenschaften und in den im Untergrund existierenden mikrobiellen Biozönosen hinsichtlich deren Zusammensetzung, der Abundanz von Bakterien und den karalytischen Stoffwechselprozessen;
  • Untersuchung der Gesteinsproben nach Beendigung der Experimente, hinsichtlich der in Punkt 3 angeführten Parameter und Übergabe der in Punkt 2 und 4 erhobenen Datensätze an die Arbeitsgruppen, die damit numerische Simulationen durchführten (vergl. Punkt 5);
  • Durchführung numerischer Simulationen (Modellierungen) hinsichtlich u.a. der Ausbreitung von Wasserstoff im Untergrund, der Vermischung von Wasserstoff und den Formationsfluiden, der Alteration der Gesteine, der Interaktion zwischen Mikroorganismen und den wasserstoffführenden Wässern im Untergrund.

Ergebnisse der Projektpartner

Im Teilprojekt TP1 der Technischen Universität (TU) Clausthal wurde experimentell untersucht, welche petrophysikalischen und geochemischen Veränderungen im Reservoir-Gestein und dem Deckgebirge durch die Einwirkung von Wasserstoff hervorgerufen werden und wie sie die Fluidtransporteigenschaften von Lagerstättengesteinen und die Barriere-Eigenschaften des Deckgebirges beeinflussen. Zu diesem Zwecke wurden Batch-Experimente mit Hochdruck-Hochtemperatur(HPHT)-Autoklaven im System Wasserstoff-Reservoir-/Deckgestein-Laugensystemen und Routine- sowie Special-Core-Analysis(SCAL)-Messreihen durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass solche Modifikationen in den petrophysikalischen Eigenschaften standortspezifisch auftraten bzw. auch fehlten.

Im TP2 der TU Clausthal, dem Energieforschungszentrum Niedersachsen und der Universität Lorraine wurde die Ausbreitung und die dynamische Veränderung der Zusammensetzung des injizierten Wasserstoffes durch Modellierungen und numerische Simulationen zu Gasvermischungs- und reaktiven Transportprozessen erfasst. Hierbei wurden auch die Populationsdynamik mikrobieller Komponenten und die hydraulische Instabilität in solchen Systemen berücksichtigt. Mögliche Einflüsse von bio-chemischen Reaktionen zwischen Gestein-organischen Bestandteilen-Lagerstättenfluiden und Wasserstoff, sowie der biogenen Rückkoppelungen zwischen veränderten Fluidzusammensetzungen (und dem Mineralbestand) wurden diskutiert. Es zeigte sich unter anderem, dass bei hohen Injektionsraten die Verdrändung des initial vorhandenen Lagerstättenwassers instabil werden und laterale Gasfinger entstehen können, bei einer zyklischen Speicherung von reinem Wasserstoff eine Rückforderungsrate von ~ 80 bis 95 mol% Wasserstoff möglich ist und es zu Ansammlungen von methanogenem Archaeen kommen kann, die den Wasserstiff (teilweise) in Methan umsetzen können.

Die Friedrich-Schiller-Universität Jena untersuchte in TP3 vor allem die mineralogisch-geo-/hydrochemischen Eigenschaften der Sandsteine und der mit ihnen assoziierten Porenwässer und führte numerusche Simulationen u. a. hinsichtlich der Veränderung des Porenraums bzw. zum Fluidtransport aus mikrotomographischen Datensätzen durch. Diese Untersuchungen vor und nach den Lavorversuchen belegten, dass bei bestimmten Bedingungen Wasserstoff Mineralreaktionen bzw. Minerallösungen fördern kann, während solche Phänomene an anderen Standorten und damit unter anderen, wenbiger extremen Bedingungen nicht festgestellt wurden. Numerische Simulationen mit den erhobenen chemischen Daten mittels PHREEQC belegten, dass solche Minerallösungen unter spezifischen Reservoire-Bedingungen und durch eine Wasserstoffzugabe ausgelöst werden können. Diese Reaktionen bewirkten auch Veränderungen der petrophysikalischen Gesteins- und Reservoire-Eigenschaften und damit im Fluidtransport, wie die auch im TP1 festgestellt wurden.

Die Arbeitsgruppe „Mikrobielles GeoEngineering“ am Deutschen GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam untersuchte im Teilprojekt 4 die Wechselwirkungen zwischen der H2-Speicherung und mikrobiellen Stoffwechselprozessen, um so allgemeine Aussagen zu ihrer Bedeutung für die Speicherung abzuleiten. In den Versuchen zeigten sich dabei Änderungen in der Zusammensetzung, Zellzahl und Stoffwechselaktivität der Mikroorganismen infolge der H2-Exposition. Hierbei konnte vor allem die Aktivität von sulfatreduzierenden Bakterien (SRB) nachgewiesen werden, während eine Methanbildung durch methanogene Archaea ausblieb.

Das am GFZ Potsdam angesiedelte TP5 untersuchte im Wesentlichen die Wechselwirkungen zwischen Wasserstoff und potenziellen Speichergesteinen am Standort Ketzin/Brandenburg. Ziel war es, mögliche Minerallösungs- oder Fällungsprozesse sowie physiko-chemische Wechselwirkungen zwischen Formationsfluiden und organischen Gesteinsbestandteilen mit Wasserstoff unter hohen Druck- und Temperaturbedingungen in Autoklaven-Versuchen zu bestimmen. Dabei wurden in den Fluiden zwar chemische Veränderungen und in den Festproben Porositätsveränderungen festgestellt, diese werden aber nicht auf Reaktionen während der Experimente zurückgeführt, sondern als Artefakte der Beprobung und Messungen interpretiert. Zudem wurden Versuche zur H2-Löslichkeit in Wässern durchgeführt, die zeigten, dass Wasserstoff in salinaren Wässern eine höhere Löslichkeit besitzt, als bisher angenommen.

Die Hauptaufgabe des ebenfalls am GFZ Potsdam tätigen Teilprojektes 6 war die numerische Modellierung von Fluid-Fluid- und Fluid-Gestein-Wechselwirkungen vor allem an dem Standort Ketzin/Brandenburg. Zudem wurde die Plausibilität der in TP 5 festgestellten fehlenden oder nur in sehr geringem Maße vorhandenen Elementveränderungen infolge der durchgeführten Autoklavenversuche an Probenmaterial aus dem Standort Ketzin durch geochemische Modellierungen überprüft. Diese numerischen Simulationen ergaben, dass unter den Standortbedingungen von Ketzin lediglich eine Reduzierung von Pyrit (FeS2) zu Pyrrhotite (FeS) stattfinden kann, diese jedoch kinetisch so gehemmt ist, dass sie für die Betriebsdauer eines dortigen H2-Speichers ohne große Bedeutung wäre. Dies gilt jedoch nur bei Berücksichtigung von ausschließlich abiotischen Reaktionen und nur für den Standort Ketzin. Unter Einbeziehung möglicher mikrobiologischer Aktivitäten und unter anderen Reservoir-Bedingungen bzw. an anderen Lokationen muss diese Aussage noch überprüft werden.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

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