Wasserstoff unter der Erde sicher und rentabel speichern: Dazu einen Beitrag leisten war das Ziel des Forschungsteams des Projekts RiSa. Im Speziellen haben die Expertinnen und Experten der Leibniz Universität Hannover untersucht, wie sich die Rissbildung in Salzgestein simulieren lässt. Mit den Ergebnissen wurde ein wichtiger Meilenstein bei der Erforschung von Untergrundspeichern erreicht.

Grüner Wasserstoff gilt als saubere und vielseitige Alternative zu fossilen Energieträgern wie Erdöl, Erdgas und Kohle. Damit er flächendeckend als klimafreundlicher Rohstoff verfügbar ist, werden Speicher benötigt, in denen große Mengen des Gases sicher gelagert werden können.

Eine vielversprechende Option sind künstlich erzeugte Salzkavernen. Das sind riesige unterirdische Hohlräume in mehr als 500 Metern Tiefe und einem Durchmesser von bis zu 70 Metern. Diese Technologie wird bereits seit Jahrzehnten genutzt, um Erdgas zu speichern und ist entsprechend gut erprobt. Wenn Gas entnommen wird, kann es allerdings zu Rissen im Salzgestein kommen. In diese Risse kann das eingespeicherte Gas eindringen. Dabei soll es ja eigentlich nicht aus der Kaverne entweichen können. Kommt es zu einem Riss, der sich unkontrolliert verlängert, stellt dies ein Gefahrenrisiko dar.

Team erforscht unterschiedliche Einflüsse auf Risse

Doch wie kommt es überhaupt zu Rissen im Salzgestein? Das erklärt Projektleiter Dirk Zapf: „In der Salzkaverne herrschen abhängig von der Geometrie und Geologie Drücke zwischen 80 und 200 bar. Zum Vergleich: Der normale Luftdruck auf der Erde entspricht ungefähr einem bar. Entnimmt man nun das Gas, verhält es sich ähnlich wie bei einer Deoflasche. Wenn Sie lange genug draufdrücken, dann wird die Flasche kalt. Das Gleiche passiert in der Kaverne: Werden Wasserstoff oder Erdgas entnommen, wird das Gas in der Kaverne durch Dekompressionsprozesse kalt.“

Die Grafik zeigt, welche Formen von Untergrundspeichern es gibt. In Salzkavernen können verschiedene Stoffe gelagert werden. © DEEP.KBB | Die Grafik zeigt, welche Formen von Untergrundspeichern es gibt. In Salzkavernen können verschiedene Stoffe gelagert werden.

Durch diese Abkühlung kann es zu Spannungen an der Kavernenwand kommen, durch die Risse im Gestein entstehen können. Man spricht von temperaturinduzierter Rissbildung. Schießt das Gas mit entsprechendem Druck in diese sogenannten Anrisse, können sich diese Risse fortsetzen. Wird der Wasserstoff zu schnell entnommen oder zu viel Druck in der Kaverne erzeugt, kann sich so ein Riss unkontrolliert verlängern und im schlimmsten Fall das Umgebungsgestein erreichen. „Hier gibt es ausreichend Sicherheiten, denn in der Regel ist das Salzgestein rund um die Kaverne mehr als 200 Meter mächtig“, erläutert Zapf und ergänzt: „Mit den Dimensionierungen, die wir vornehmen, wollen wir sicherstellen, dass der Riss einige wenige Meter hinter der Kavernenwand endet.“

„Das größte Problem bei der Speicherung von Wasserstoff in Salzkavernen ist, dass wir nicht genau sehen können, was sich im Untergrund abspielt und wie sich das Gestein im Rahmen eines dauerhaften Betriebs verhält“, erklärt Dirk Zapf. Man könne Kavernenbauwerke zwar mit Sonar-Messtechniken vermessen. Allerdings seien diese zu grob, um die Risse aufzuspüren. „Sie können erst dann feststellen, dass ein Riss gefährlich ist, wenn es schon zu spät ist. Nämlich genau dann, wenn es einen merklichen Druckverlust in der Kaverne gibt“, sagt Zapf.

Forschende erzeugen am Computer digitale Risse

Um dennoch nachvollziehen zu können, wie es um die Rissbildung einer Kaverne steht, braucht es numerische Simulationen. Das sind mathematische Verfahren, mit denen komplexe physikalische Systeme abgebildet werden können. Auf Grundlage von kartierten Rissen, die durch Temperaturabsenkungen entstanden worden waren, erstellte das Team ein Modell, das das Rissbildungsverhalten in der Realität digital nachbildet. Dann entwarfen die Forscherinnen und Forscher am Computer eine Kaverne und fügten virtuell Elemente hinzu, die bei plötzlichem Temperaturabfall reißen können.

„So konnten wir herausfinden, unter welchen Umständen die Risse im Modell auftreten und wie weit sie sich ins Gestein fortsetzen“, erklärt Projekleiter Dirk Zapf. Ein überraschendes Ergebnis: Bei einem wirtschaftlichen Betrieb lassen sich Risse nicht vermeiden, dafür aber berechnen und prognostizieren. „Die Ergebnisse haben wir anhand von Beispielen, einem Salzbergwerk in Deutschland und einer Salzmine in Frankreich, überprüft. Das heißt, wir haben die Modelle auf real existierende Kavernen angewendet und genau dieselben Ergebnisse herausbekommen wie bei der physischen Messung an den beiden Standorten.“

In Zukunft könnte das neu entwickelte Modell dabei helfen, herauszufinden, ob und unter welchen Bedingungen eine Salzkaverne für die Wasserstoffspeicherung geeignet ist. Zum Beispiel könnten mithilfe von Prognosen Risse vorausgesagt werden. Nur dank solcher Informationen könnten künftig größere Mengen Wasserstoff in unterirdischen Salzhöhlen sicher gelagert werden. (ch)