Schwerpunktprojekt Bildung, Migration und Abbau von Wasserstoff – BiMiAb-H₂

Land / Region: Deutschland

Projektanfang: 01.09.2021

Projektende: 31.08.2026

Projektstand: 25.10.2022

Schematische Darstellung der untertägigen Wasserstoffspeicherung und potentieller Reaktionsprozesse Quelle: BGR

Das Projekt „Bildung, Migration und Abbau von Wasserstoff“ wurde im Rahmen des Konzeptes der BGR „Geowissenschaftliche Beiträge zur Umsetzung der nationalen Wasserstoffstrategie“ entwickelt. Es werden für deutsche Untergrundspeicheroptionen typische Gesteinsformationen und relevante Gestein-Fluid-Kombinationen mit Hinblick auf die Wasserstoffspeicherung untersucht. Das Projekt ist fachlich in drei Teilprojekte gegliedert:

Teilprojekt 1 „Mikrobieller Abbau von H₂ und Biomethanisierung“

Im ersten Teilprojekt werden die Auswirkungen möglicher mikrobieller Reaktionen mit Wasserstoff in geologischen Untergrundspeichern untersucht, um rasch fundierte Informationen zur Eignung von verschiedenen geologischen Formationen in Deutschland als Porenspeicher als Beratungsgrundlagen zu liefern. Neben der Bestimmung möglicher mikrobieller H₂-Abbauraten werden Methoden entwickelt, um unter in situ nahen Druck- und Temperaturbedingungen mikrobielles Wachstum im Porenraum von Speichergesteinen besser vorhersagen zu können. Diese mikrobiologischen Untersuchungen werden ergänzt durch weitere Experimente zur Klärung der Möglichkeiten und des Potenzials von „microbial engineering“ in einem Speicher, um gezielt ausgewählte mikrobiologische Prozesse zu inhibieren oder zu intensivieren (z. B. „Biomethanisierung“, Methanbildung aus H₂ und CO₂). Hierfür werden neue Nieder- und Hochdruckanlagen entwickelt und eingesetzt. Aus den Ergebnissen werden Empfehlungen für die Bewertungen von geologischen Formationen und Formationswässern hinsichtlich des Risikos eines mikrobiellen H₂-Abbaus formuliert und das Potenzial von untertägiger „Biomethanisierung“ bewertet.

Inkubationsversuche mit Formationsfluiden im Hochdruckreaktor (oben) und in Serumflaschen bei niedrigen Drücken (unten) Quelle: BGR

Teilprojekt 2 „Migration von Wasserstoff in Speichergesteinen und durch Deckschichten“

Im zweiten Teilprojekt werden in neu zu etablierenden experimentellen Aufbauten die Transportprozesse von Wasserstoff in Speichergesteinen und in Deckschichten untersucht. Dadurch werden Vorhersagen von Mischungsprozessen von Gasen bei der Einspeicherung von Wasserstoff z. B. in teilentförderten Erdgaslagerstätten oder unter Verwendung von Kissengas in Kavernen ermöglicht. Zusätzlich werden diese Daten zur Durchlässigkeit von Deckschichten (Tonstein und Salz) wichtige neue Grundlagen liefern für ausstehende rechtliche Anforderungen im Genehmigungsvorgang für untertägige Wasserstoff-Speicher – sowie für Fragestellungen des Gastransports in Endlagern. Weiterhin werden Apparaturen zur Durchströmung von Gesteinskernen mit Gas und Wasser-Gas-Gemischen etabliert, um die Durchströmbarkeit von Porenspeichergestein zu bestimmen. Dabei wird in enger Zusammenarbeit mit Teilprojekt 1 ein Schwerpunkt auf dem Vergleich der Durchströmbarkeit von Porenspeichergestein mit und ohne mikrobiellem Wachstum im Gestein liegen, um das Ausmaß der Auswirkungen möglichen mikrobiellen Wachstums in Porenspeichern auf die Permeabilität zu beschreiben.

Teilprojekt 3 „Bildung und Abbau von H₂ an Grenzflächen“

Im dritten Teilprojekt werden Reaktionen von Wasserstoff an definierten Grenzflächen untersucht, um eine bessere Vorhersage von Reaktionsraten für die Bildung und den Abbau von Wasserstoff in verschiedenen Systemen treffen zu können. So werden Daten zu geochemischen Reaktionsgeschwindigkeiten an häufigen Mineraloberflächen in ausgewählten Porenspeichergesteinen und Deckschichten aus Deutschland erhoben, um zusammen mit den in Teilprojekt 1 erhobenen Daten die Bewertung der Eignung von verschiedenen geologischen Formationen in Deutschland als Porenspeicher als Beratungsgrundlagen liefern zu können. Daneben wird die Bildung von Wasserstoff durch die Korrosion von Metall in Kontakt mit Formationswasser, ein wesentlicher Prozess für den im Einlagerungsbereich erwarteten Gas-Druckaufbau sowie für die Bewertung der Herkunft wasserstoffreicher Gase aus tiefen Bohrungen, untersucht. Außerdem werden Reaktionen an natürlichen Mineraloberflächen unter höheren Temperaturen zur abiotischen Bildung und Oxidation von Wasserstoff in größerer Tiefe, zur Bildung durch Radiolyse in Anwesenheit von Mineraloberflächen untersucht, um die momentan noch großen Unsicherheiten von natürlichen Wasserstoff-Stoffflüssen in der Umwelt und im Einlagerungsbereich zu verringern. Zusätzlich zu experimentell erhobenen kinetischen Daten wird über geochemische Modellierung ein Werkzeug zum Einsatz für verschiedene Fragestellungen bereitgestellt. Im Rahmen des Projektes wird im Fachbereich „Geochemie der Rohstoffe“ der analytische Schwerpunkt ortsaufgelöste Ramanspektroskopie (u. a. von Isotopenmarkierungen an Mineral-Fluid-Mikroben-Grenzflächen) aufgebaut.

Weiterführende Informationen:

• Übersicht zur Wasserstoff-Forschung der BGR
• BMBF Projekt H₂_ReacT

Literatur:

• Heinemann, N. et al. (2021): Enabling large-scale hydrogen storage in porous media – the scientific challenges: Energy & Environmental Science, v. 14, no. 2, p. 853–864. https://doi:10.1039/D0EE03536J
• Warnecke, M. & Röhling, S. (2021): Untertägige Speicherung von Wasserstoff – Status quo.: Zeitschrift der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften Band 172 Heft 4 (2021), p. 641 - 659. https://doi.org/10.1127/zdgg/2021/0295
• Hanson, Angela Goodman, Kutchko, Barbara, Lackey, Greg, Gulliver, Djuna, Strazisar, Brian R., Tinker, Kara A., Haeri, Foad, Wright, Ruishu, Huerta, Nicolas, Baek, Seunghwan, Bagwell, Christopher, Toledo Camargo, Julia de, Freeman, Gerad, Kuang, Wenbin, Torgeson, Joshua, White, Joshua, Buscheck, Thomas, Castelletto, Nicola, and Smith, Megan. Subsurface Hydrogen and Natural Gas Storage: State of Knowledge and Research Recommendations Report. United States: N. p., 2022. https://doi.org/10.2172/1846632

Externe Informationsquellen:

• Bundesministerium für Wirtschaft und Energie - BMWi (2020): Die Nationale Wasserstoffstrategie

• Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz - BMWK (2021): Bericht der Bundesregierung zur Umsetzung der Nationalen Wasserstoffstrategie