Potentieller Energieträger der Zukunft ?
1. Einführung und Status
Nach einer Prognose der IEA soll zur Einhaltung der Pariser Klimaziele die weltweite Produktion von CO2-frei/arm erzeugtem Wasserstoff bis zum Jahr 2050 auf ca 400 Mio Tonnen steigen, Abb. 1.
Dem gegenüber steht ein derzeitiger Bedarf von ca.100 Mio Tonnen, der überwiegend auf Basis von fossilen Energieträgern (Erdgas, Kohle) und mit einem Anteil von unter 1% auf Basis CO2-armer Verfahren gedeckt wird .
Grafik 1 (siehe PDF-Dokument)
Die heutige Wasserstoffproduktion basiert hauptsächlich auf Erdgas- Dampfreformierung und Kohlevergasung – nach der Wasserstoff- Farbenlehre (Abb 2) grauer bzw. schwarzer Wasserstoff.
2023 wurden bei der weltweiten Wasserstoffproduktion 920 Mio Tonnen CO2 freigesetzt, wobei fast zwei Drittel aus der Produktion mit Erdgas stammen. Hierbei werden 10–12 kg CO2-eq / kg H2 ausgestoßen.
Durch Kohlevergasung wurden ca. 20% erzeugt, mit einer CO2-Emission von 22-26 kg CO2-eq / kg H2
Andere Verfahren wie Erdgaspyrolyse oder Biomasse-Vergasung spielen derzeit noch keine Rolle oder sind technisch noch nicht ausgereift.
Elektrolyse-Wasserstoff ist nur emissionsarm, wenn der verwendete Strom aus regenerativen Quellen (Wind, Solar, Hydro) stammt oder bei Verwendung fossiler Rohstoffe das CO2 abgefangen und gespeichert bzw. genutzt wird (CCUS).
Grafik 2 (siehe PDF-Dokument)
Entgegen früherer Szenarien, die einen schnellen Hochlauf prognostizierten und eher durch Restriktionen bei den Produktions- Kapazitäten und Materialverfügbarkeiten gebremst wurde, verläuft der Aufbau der Elektrolysekapazität zur Erzeugung von „grünem“ Wasserstoff schleppend.
Nach einer aktuellen Studie des Potsdam Instituts für Klimafolgenforschung wurde weltweit nur ein Bruchteil der bis 2023 angekündigten rund 1230 Elektrolyse- Projekte umgesetzt, mit abnehmender Tendenz in der Projektion bis 2030, Abb. 4.
Grafik 4 (siehe PDF-Dokument)
Hierbei wirken fehlende Nachfrage, Planungsunsicherheit und vor allem die höheren Kosten von grünem Wasserstoff zusammen.
Während die reinen Produktionskosten von konventionell, also auf Basis Erdgas hergestelltem Wasserstoff zirka 2 €/kg betragen, einschließlich CO2-Entfernung (CCS) zirka 2,70 €/kg, so liegen die Kosten bei grünem Wasserstoff abhängig vom Strompreis eher bei 8.- €/kg oder darüber.
2. Natürlicher (weißer) Wasserstoff
Die wegen der hohen Herstellungskosten schleppende Nachfrage nach grünem Wasserstoff, und andere Herausforderungen wie z.B. die Logistik (teurer Aufbau eines H2-Kernnetzes, Bereitstellung von H2-Speichern) dämpfen den Hochlauf einer CO2-freien/armen Wasserstoffwirtschaft.
So wird weiterhin nach günstigeren Alternativen gesucht, zu denen auch im Sinne der Farbenlehre weißer, also natürlich vorkommender Wasserstoff gehört.
Im Gegensatz zu allen anderen Herstellungswegen käme der Gewinn von natürlichem Wasserstoff ohne verlustträchtige Umwandlungsprozesse aus. Im Vordergrund stehen aber Fragen der Exploration, der Reinheit und der Reichweite der natürlichen Lagerstätten.
Prinzipiell sind zwei grundlegende Quellen für weißem Wasserstoff zu unterscheiden:
- Biokatalytische Wasserspaltung (und -speicherung)
- Geologische Prozesse und Vorkommen
- Radiolyse von Wasser
- Serpentinisierung durch Reaktion von Wasser mit bestimmten Mineralien
Am aussichtsreichsten für die Gewinnung von weißem Wasserstoff ist hierbei die Serpentinisierung.
2.1 Biokatalytische Wasserspaltung:
Optionen sind z.B. die H2-Gewinnung durch Biophotolyse und durch Biophotovoltaik, beides über komplexe Mechanismen und noch weitgehend in einem frühen Entwicklungsstadium (TRL 2-3), siehe Übersicht in.
Biochemische Wasserstoffspeicherung: Acetogene Bakterien, die vor allem in der Tiefsee vorkommen, sind in der Lage, aus Kohlendioxid und Wasserstoff als Zwischenprodukt Ameisensäure herzustellen, die in weiteren Schritten zu Folgeprodukten wie Ethanol und Essigsäure umgewandelt wird. Durch genetische Veränderung der Bakterien ist es gelungen, die Umwandlung auf der Stufe der Ameisensäure anzuhalten. Die gebildete Ameisensäure kann unter milden Bedingungen enzymatisch oder katalytisch wieder zu CO2 und Wasserstoff zurückgebildet werden.
Das reversible Verfahren (Prinzip: Abb 5) stellt einen biologischen Wasserstoffspeicher dar, der als „BionicHydrogenBattery“ kommerziell genutzt werden soll.
Grafik 5 (siehe PDF-Dokument)
2.2 Geologische Wasserstoffbildung
Die wichtigsten und auf Grund ihres hohen Potentials fast unerschöpfliche Quellen für natürlichen Wasserstoff sind geologische Formationen, die zu einer Reaktion von Mineralien mit Wasser bzw. zu einer Wasserspaltung und Anreicherung von Wasserstoff führen.
Das Austreten von Wasserstoff aus hydrothermalen Systemen des mittelozeanischen Rückens und aus ophiolitischen Gesteinsformationen wurde bereits in den 1970er Jahren beobachtet.
Erstmals und eher zufällig entdeckt wurde eine natürliche Wasserstoff-Quelle bei Wasserbohrungen im Jahr 1987 in der Ortschaft Bourakébougou in Mali (Abb.6).
Grafik 6 (siehe PDF-Dokument)
Die 112 m tiefe Bohrung nach Wasser war nicht fündig, jedoch erlitt ein Arbeiter, der sich mit einer brennenden Zigarette über das Bohrloch beugte, infolge einer Knallgas-Explosion schwere Verbrennungen. Das Bohrloch wurde daraufhin verschlossen und 2011 wieder freigelegt, um das mit 4 bar austretende Gas (98 % Wasserstoff, 1% Stickstoff und 1% Methan), für die lokale Stromversorgung zu nutzen.
Mit 24 weiteren Probebohrungen wurden seitdem Vorkommen von natürlichem Wasserstoff auch in der Umgebung nachgewiesen und mit umfangreichen geologischen Untersuchungen für eine kommerzielle Ausbeutung verbunden.
Dies war der Beginn einer weltweiten systematischen Suche nach weißem Wasserstoff und den Voraussetzungen und Mechanismen seiner Entstehung und möglichen Ausbeutung.
Die Bildung von Wasserstoff in tiefen Schichten der Erdkruste ist noch wenig erforscht. Grundsätzlich kann man radiochemische und geochemische Prozesse bestimmter eisenhaltiger Mineralien in Gegenwart von Wasser (Serpentinisierung) unterscheiden.
Die radiochemische Wasserspaltung tritt auf beim radioaktiven Verfall von Uran, Thorium und Kalium in der Erdkruste durch Aufspaltung von Tiefenwasser.
Grafik 7 (siehe PDF-Dokument)
Weiteres Produkt des radioaktiven Verfalls ist häufig Helium.
Gesteine, in denen eine natürliche Radiolyse von Wasser auftreten kann, sind etwa Granit, Schiefer und Sandstein.
Bereits 1910 wurde im Kalibergwerk Leopoldshall bei Staßfurt über mehrere Jahre der Austritt von radiochemisch entstandenem Wasserstoff mit einer Reinheit von 83,6 % beobachtet.
Bedeutender – auch im Hinblick auf eine mögliche Ausbeutung – sind geochemisch entstandene Lagerstätten, die durch Serpentinisierung Olivin-haltiger Gesteinsschichten bei hohem Druck und hoher Temperatur entstanden sind.
Die Serpentinisierung ist ein chemisch und physikalisch komplexer Prozess, wobei die zwei prinzipiell ablaufenden chemischen Reaktionen die Hydratisierung von Olivinen (Fayalit – Fe2SiO4 und Forsterit – Mg2SiO4) und die nachfolgende Oxidation des Eisenhydroxids unter Wasserstoff-Bildung zu Magnetit sind:
Grafik 8 (siehe PDF-Dokument)
Das Phasendiagramm in Abb. 7 zeigt einen optimalen Temperaturbereich für die Serpentinisierung bei ca. 200-300 °C, was einer Tiefe im Gestein von ca. 7-10 km entspricht.
Grafik 9 (siehe PDF-Dokument)
In einer umfangreichen Studie von F. Zwaan vom GFZ Helmholtz Zentrums für Geowissenschaften in Potsdam entstand ein Modell für die Akkumulation von weißem Wasserstoff in einer Bruchzone von zwei kollidierenden geologischen Platten.
Das zur Serpentinisierung erforderliche Wasser stammt entweder von der Oberfläche oder es handelt sich um Tiefenwasser, das entlang der Störungszonen in einen olivinischen Bereich einströmt, der einen für die Serpentinisierung günstigen Temperaturbereich von 200-350 Grad C aufweist (in der Studie als „Wasserstoffküche“ bezeichnet). Der gebildete Wasserstoff strömt entweder an die Oberfläche oder sammelt sich in Kavernen, die durch darüberliegende Sedimentschichten verschlossen sind, Abb. 8.
Grafik 8 (siehe PDF-Dokument)
Eine Gewinnung von weißem Wasserstoff wird durch Anbohren entweder der „Wasserstoffküche“ oder der Kaverne möglich.
2.4. Vorkommen
Nach Auffinden und Nutzung der Wasserstoffquelle in Bourakébougou in Mali fand die Exploration von natürlichem Wasserstoff erst in den 2020er Jahren eine stärkere Beachtung. Grund ist das stark gewachsene Interesse an nachhaltigem Wasserstoff als Energieträger und chemischem Rohstoff.
Neben Zufallsfunden wie in Mali ist eine systematische Exploration potentieller Lagerstätten erst im Entstehen, wobei auf Grund der vermuteten großen Vorräte bereits von einer Art Goldrausch gesprochen wird.
Eine Studie und Modellrechnungen von S.Gelman und G. Ellis vom US Geological Survey ergab ein weltweites Potential von 5,6 Mio Megatonnen natürlichem Wasserstoff.
Selbst wenn davon nur ein Bruchteil von 500 Mio Tonnen, also ca. 1% jährlich gewonnen werden könnte, wäre dies die fünffache Menge des derzeit mit allen anderen Methoden produzierten Wasserstoffs.
Beispielsweise sind in den USA Lagerstätten mit Wasserstoff-Konzentrationen über 0,5 % großflächig nachgewiesen worden.
„Hot Spots“, die Probebohrungen mit dem Ziel einer kommerziellen Wasserstoff- Gewinnung ausgelöst haben, finden sich vor allem in Kansas, Nebraska und Neumexico (Abb. 9)
Grafik 9 (siehe PDF-Dokument)
Ein Teil der Lagerstätten enthält außer Methan auch wertvolle Begleitgase wie Helium, die die Wirtschaftlichkeit einer Ausbeutung deutlich verbessern.
Weltweit werden Vorkommen von weißem Wasserstoff auf Ihre Fündigkeit untersucht, so u.a. in Australien, Marokko, Mali, Kolumbien, in Europa u.a. in Frankreich (Lothringen), Albanien, Spanien und im Kosovo.
2.5. Projektbeispiele zur Gewinnung von weißem Wasserstoff
Abb. 10 zeigt eine Übersicht aktueller Projekte zur Erschließung von weißem Wasserstoff.
Grafik 10 (siehe PDF-Dokument)
Nachfolgend näher beschrieben werden vier Beispiele, die in dieser Dekade zu einer kommerziellen Gewinnung von weißem Wasserstoff führen sollen:
- St.Avold, Lothringen
- Bulqizë, Albanien
- Kansas, USA
- Aragón, Spanien
St.Avold, Lothringen
Eher zufällig bei der Suche nach Methan wurde 2023 bei Bohrungen nach Kohleflözgas bei St. Avold in Lothringen ein großes Vorkommen an natürlichem Wasserstoff entdeckt. Die Lagerstätte befindet sich in einer Tiefe von 4-5 km, wobei der Wasserstoffgehalt in einer Tiefe von 1250 Metern bereits 20 Prozent beträgt.
Schätzungen gehen von 46 Mio Tonnen Wasserstoff aus, die bis ca. 2028 kommerziell erschlossen werden sollen.
Bulqizë, Albanien
In einer Chromitmine in Bulqizë in Albanien wurde bereits 1992 ein ausströmendes, brennbares Gas beobachtet. Mehrere Explosionen in 2011, 2017 und 2022 deuteten auf Knallgasdetonationen. Es handelt sich um den größten jemals entdeckten natürlichen Wasserstoffstrom.
Das aus Tümpeln und Rinnsalen in der Mine in 500 – 1000 m Tiefe austretende Gas (Abb. 11) besteht zu 84 % aus Wasserstoff. Die anderen Bestandteile sind Methan (13%) und Stickstoff (3%). Schätzungen gehen von einer jährlichen Menge von mindestens 200 Tonnen Wasserstoff aus. Das Gesamtvorkommen wird auf mehr als 50.000 Tonnen Wasserstoff geschätzt, dessen Gewinnung in Vorbereitung ist.
Grafik 11 (siehe PDF-Dokument)
Nemaha Projekt, Kansas/USA
In einem Gebiet zwischen Kansas City und Wichita wurden bei früheren Gas- Bohrungen bis zu 92% Wasserstoff und bis zu 3% Helium gefunden.
Zwei Bohrungen mit einer ursprünglichen Tiefe von 440m bzw. 670m sollen in größere Tiefen von mehreren 1000m erweitert werden. Die vermuteten Vorräte betragen 126000 – 640000 Tonnen Wasserstoff und 235 – 9800 Tonnen Helium.
Hauptquelle für Wasserstoff ist auch hier eine Serpentinisierung durch Reaktion von eisenhaltigen Mineralien mit eindringendem Oberflächenwasser, Abb.12.
Grafik 12 (siehe PDF-Dokument)
Die Tiefenbohrungen der australischen Firma HyTerra Ltd. sollen im April 2025 beginnen.
Monzón/Aragón, Spanische Pyrenäen
Bereits 1963 wurde in dem Gebiet Aragón vergeblich nach Öl und Gas gebohrt, gefunden wurde Wasserstoff. Die Bohrungen wurden daraufhin aufgegeben.
Neue geologische Untersuchungen in 2024 und eine Bohrung auf 3850m („Monzón- 2) bestätigten die hohen Wasserstoff- und Helium-Gehalte unter einer undurchlässigen Salzschicht, Abb.13.
Grafik 13 (siehe PDF-Dokument)
Es wird von 1,1 Mio Tonnen Wasserstoff ausgegangen mit möglichen zusätzlichen Reserven von 5-10 Millionen Tonnen. Die Wasserstoffproduktion von 55000 – 70000 Tonnen jährlich soll 2028 beginnen.
3. Kosten
Die meisten Projekte für weißem Wasserstoff sind noch im Entstehen, Kostenschätzungen sind daher schwierig.
Ein Bezugspunkt ist die seit über zehn Jahren aktive Produktion geringer Mengen an weißem Wasserstoff durch die kanadische Firma Hydroma für die örtliche Energieversorgung in Bourakèbougou in Mali.
Die Kosten für weißen Wasserstoff liegen dort unter 0,50 € / kg Wasserstoff, der allerdings ohne weitere Nachbehandlung zur lokalen Stromerzeugung genutzt wird.
Alle anderen Angaben sind grobe Kostenschätzungen und liegen im Bereich von 0,50 – 1,00 € / kg Wasserstoff, also deutlich unter den Kosten für grauen Wasserstoff von zirka 2.- € /kg (je nach Gaspreis) und deutlich unter den Kosten für grünen Wasserstoff (> 8 € /kg H2, je nach Strompreis).
Enthält das Gas zusätzlich Helium (Wert ca. 30 – 70 € /kg) als Begleitgas, so wird die Gewinnung von weißem Wasserstoff nochmals rentabler.
Bei blauem Wasserstoff zusätzlich zu berücksichtigen sind die mit CO2-Emissionen verbundenen Kosten von ca. 0,7 € /kg Wasserstoff.
4. Fazit
Heute vielleicht noch eine Vision, aber die Nutzung von natürlichem Wasserstoff als emissionsfreiem, darüber hinaus noch günstigem Energieträger würde die Aktivitäten bei den heutigen – fossilen oder grünen – Herstellungswegen für Wasserstoff teilweise ersetzen können
Voraussetzung ist, dass die Lagerstätten über eine ausreichende Reichweite verfügen, einschließlich der zu investierenden Aufbereitung und Logistik. Der Aufbau von H2-Transportkapazitäten (H2-Pipelinenetz in Europa) und von groß- skaligen H2 Kavernenspeichern wäre auch hierfür weiterhin sinnvoll.
Die prinzipiellen Entstehungswege in geologischen Formationen sind gut erforscht (Abb. 13) und die vermuteten und nachgewiesenen Vorräte übertreffen den momentanen und in vielen Szenarien zukünftig erwarteten Bedarf an Wasserstoff um ein Vielfaches.
Wie viele der identifizierten und vermuteten Lagerstätten sich in Zukunft tatsächlich nutzen lassen, ist noch Spekulation. Dabei weitgehend unerforscht sind die vermuteten Vorkommen unter dem Meeresboden.
Grafik 13 (siehe PDF-Dokument)
Die manchmal als Goldrausch bezeichnete Exploration von weißem Wasserstoff ist verknüpft mit einem hohen Risiko für die Anfangsinvestitionen bei komplexen geologischen Randbedingungen und Sicherstellung einer ausreichenden Fündigkeit der Lagerstätte.
Dies mag erklären, dass es neben der einzigen kommerziellen Ausbeutung in Mali nur wenige Projekte gibt, die innerhalb dieser Dekade zu einer kommerziellen Nutzung führen sollen.
Die Technik für die erforderlichen Tiefenbohrungen von mehreren 1000m, die auch bei der Nutzung von Geothermie als umweltfreundliche Wärmequelle immer mehr zum Einsatz kommt, wird ständig weiterentwickelt, beispielsweise bei abgelenkten und horizontalen Tiefenbohrungen.
Mit dem steigenden Verständnis für die geologischen Voraussetzungen steigen auch die Erfolgschancen.
Die häufige Anwesenheit von kostbarem Helium als Begleitgas des Wasserstoffs verbessert den wirtschaftlichen Erfolg.
Es gibt auch erste Bedenken gegen eine Ausbeutung natürlicher Wasserstoffreserven. Sie betreffen vor allem die Sicherheit und mangelnde Erfahrung beim Umgang mit explosivem Wasserstoff bei den Tiefenbohrungen.
Auch wird befürchtet, dass beim Entweichen größerer Mengen an Wasserstoff in die obere Atmosphäre der Abbau von Treibhausgasen (z.B. durch Umsetzung Ozon bzw. Sauerstoff-Radikalen) gehemmt wird. Wasserstoffemissionen wären dann indirekt klimaschädigend.
Der Gehalt an Wasserstoff in der Atmosphäre beträgt ca. 89 Mio Tonnen, die allein auf natürliche Emissionen zurückgehen. Zusätzliche anthropogene Wasserstoff-Emissionen sind dann wohl eher vernachlässigbar.
F. Zwaan vom GFZ Helmholtz Zentrums für Geowissenschaften in Potsdam, der mit seinem Team grundlegende Modelle für die geologischen Prozesse bei der Serpentinisierung und Entwicklung von Wasserstoff- Hot Spots entwickelt hat, ist zuversichtlich, dass langfristig die kommerzielle Nutzung kommen wird: „Auch Erdöl war eine Kuriosität, bis die Technik für den großflächigen Einsatz bereit war. Weißer Wasserstoff „könnte einen ähnlichen Weg einschlagen.“
Die aktiven Projekte werden in dieser Dekade zeigen, ob hier eine Vision zur Realität werden kann.
