Unterirdische Speicherung von Wasserstoff – Business Opportunity für Armaturenbauer?

Uniper Erdgasspeicher in Epe (Quelle: Uniper Energy Storage)

Am 24. April meldete Europas größter Gasspeicherbetreiber Uniper Energy Storage die Ergebnisse einer zweimonatigen Marktumfrage zum Thema Wasserstoff. Das Ergebnis: Der Bedarf an Kapazitäten zur Speicherung von Wasserstoff dürfte in den nächsten Jahren enorm ansteigen. Was heißt das für den Armaturenhersteller? Wo kann ihre Expertise beim Bau von H2-Speichern zum Einsatz kommen, und welche gibt es überhaupt? Mehr dazu in unserem heutigen Spezialartikel.

Die von Uniper durchgeführte Marktkonsultation zeigt, für wie viele Akteure das Thema Wasserstoffspeicherung relevant ist: Neben Energieversorger waren auch Kraftwerksbetreiber, Wasserstoffproduzenten, industrielle Wasserstoffabnehmer und Gashändler in die Befragung eingebunden. Schon in der ersten Phase des Wasserstoffhochlaufs, deren Eintreffen ab 2029 erwartet wird, sei der erwartete Bedarf an Speicherkapazitäten sehr hoch.

(Quelle: GIE, INES)

Die von Uniper durchgeführte Marktkonsultation zeigt, für wie viele Akteure das Thema Wasserstoffspeicherung relevant ist: Neben Energieversorger waren auch Kraftwerksbetreiber, Wasserstoffproduzenten, industrielle Wasserstoffabnehmer und Gashändler in die Befragung eingebunden. Schon in der ersten Phase des Wasserstoffhochlaufs, deren Eintreffen ab 2029 erwartet wird, sei der erwartete Bedarf an Speicherkapazitäten sehr hoch.

Neue Speicher braucht das Land

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 werde. 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. Um zu verstehen, was das bedeutet, lohnt ein Blick auf die beiden wichtigsten Arten von Speichern.

Vergleich der wichtigsten Speichertypen (Quelle: INES)

Kavernen- oder Holhlraumspeicher: 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 können bis zu 2,5 km tief liegen. Auch die Größe der Hohlräume ist beachtlich: Sie können bis zu 100 Meter Durchmesser und Höhen zwischen 50 und 500 Metern besitzen.

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.

Obertageanlage am Speicherstandort Krummhörn (Quelle: Uniper Energy Storage)

Kavernenspeicher für Wasserstoff

Der Vorteil von Kavernenspeichern liegt darin, dass eine Ein- bzw. Ausspeicherung von Gas hier schnell und flexibel erfolgen kann. Daher sind sie für grünen Wasserstoff geradezu ideal geeignet: Die Intensität von Wind- und Sonnenenergie unterliegt wetterbedingten Schwankungen, wodurch auch die Produktion von grünem Wasserstoff fluktuiert. Insbesondere industrielle Wasserstoffnutzer benötigen allerdings einen konstanten Strom von Wasserstoff. Strategisch günstig gelegene Salzkavernenspeicher erfüllen daher eine wichtige Funktion: Werden Wasserstoffüberschüsse produziert, können sie unkompliziert eingespeist werden. Kommt es dann wetterbedingt zu Verzögerungen in der Produktion, lässt sich der Wasserstoff kurzfristig ausspeichern und den Anwendern (bestenfalls via Pipeline) zur Verfügung stellen.

Bei der Umrüstung eines bestehenden Kavernenspeichers auf Wasserstoff eröffnen sich zahlreiche Chancen für Hersteller von Pumpen, Ventilen, Membranen, Hähnen und so weiter, deren Produkte H2-ready sind. Der Grund: Alle Komponenten der Anlage, also sowohl unter- als auch ober Tage, müssen wasserstofftauglich sein. Die Umrüstung einer bestehenden Kavernenspeicheranlage dauert daher 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.

Bei der Präsentation der ersten Zwischenergebnisse von HyStorage im März 2024: er Kreetz (COO Uniper), Hubert Aiwanger, Christian Kosack (Uniper Energy Storage) (v.l.n.r.) (Quelle: Uniper Energy Storage)

Beispiel Krummhörn

Beispielhaft baut Speicherbetreiber Uniper Energy Storage derzeit einen neuen Wasserstoff-Kavernenspeicher im niedersächsischen Krummhörn. Der Standort des Projekts „Hydrogen Pilot Cavern - HPC Krummhörn“ befindet sich in der Nähe von Wilhelmshaven, wo mehrere Elektrolyseprojekte geplant sind und perspektivisch große Wasserstoff in Form von Ammoniak anlanden könnten.

Weiterhin sind die bei Krummhörn vorhandenen Erdgaskavernen und derzeit nicht in Betrieb, Beeinträchtigung eines bestehenden Erdgasspeicherbetriebs stattfindet. Für das Projekt nutzt Uniper eine bereits bestehende Bohrung, aus der die Pilotkaverne entwickelt wird. Zunächst ist die Anlage noch relativ klein dimensioniert. Das Ziel des Gashändlers ist nämlich, zu zeigen, wie schnell ein neuer Kavernenspeicher überhaupt in den Betrieb überführt werden kann – das interessiert die ersten Wasserstoffkunden am meisten.

Seit Mitte Januar sind Uniper-Ingenieure mit der Aussolung des Hohlraums beschäftigt, die im Sommer abgeschlossen sein soll. Die Eröffnung des Speichers für einen realitätsnahen Probebetrieb ist für August geplant. Anschließend soll der Standort kommerziell weiterentwickelt werden, um dem Markt in einem ersten Schritt eine Speicherkapazität von250 GWh bereitzustellen.

Porenspeicher

Porenspeicher, auch „Gesteinsporenspeicher“, „Lagerstättenspeicher“ oder „Speicher in porösen Gesteinsformationen“ genannt, sind ehemalige Erdgaslagerstätten in Kalk- und Sandsteinschichten. Hier sammelte sich im Laufe von Jahrmillionen Erdgas an, das irgendwann von Menschen an die Oberfläche gepumpt wurde. Nach dem Ende dieser Förderung können diese Erdgaslagerstätten zu Untergrundspeichern umgebaut werden. Darin nimmt poröses Gestein, in dem zuvor Erdgas enthalten war, das eingespeicherte Gas wie ein Schwamm auf. Die Decke des Porenspeichers besteht aus einer geschlossenen Gesteinsschicht, die verhindert, dass Gas ausströmen kann.

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 deutlich anspruchsvoller als bei Salzkavernen. Denn Wasserstoff ist sehr reaktionsfreudig gegenüber organischem Material und einigen Mineralien. Das führt dazu, dass er während der Speicherung im porösen Gestein mit umliegenden Stoffen reagieren und sich chemisch verändern kann.

Der größte Unterschied zwischen Kavernen- und Porenspeicherung ist also, dass man bei einer künstlich angelegten Salzkaverne davon ausgehen kann, dass der eingespeicherte Wasserstoff auch wieder herauskommt. Bei Porenspeichern ist hingegen unklar, wie rein der ausgelagerte Wasserstoff noch ist. Die Forschungen hierzu laufen.

Der erste Hartmann-Wellhead für die Wasserstoff-Testphase 1 wurde kürzlich in den Niederlanden installiert. Der Betreiber Gasunie ist dort für die Entwicklung der nationalen Wasserstoffinfrastruktur verantwortlich. (Quelle Hartmann Valves GmbH)

HyStorage: Uniper-Speicher in Bierwang

Im Projekt HyStorage untersucht Uniper im südbayrischen Unterreit die Einlagerung von Wasserstoff in Porenspeicher. Mitte März präsentierte der Gasspeicherbetreiber an der Speicherstation Bierwang die Zwischenergebnisse seines Forschungsprojekts zur Eignung von Porenspeichern für die Wasserstoffspeicherung.

Die Ingenieure der Projektgruppe – neben Unipers Specher-Tochter Uniper Energy Storage sind OGE, RAG Austria, SEFE und Nafta Speicher beteiligt) – pressen den Wasserstoff hier noch nicht in Reinform ein, sondern als Beimischung zu konventionellem Erdgas. Den Wasserstoffanteil wollen sie bis 2025 von 5 über 10 auf 25 % erhöhen. Nach einer mehrmonatigen Standzeit wird die Gasmischung wieder ausgespeichert und analysiert.

Die erste Betriebsphase mit 5 %-Beimischung hatte das Team Ende Januar abgeschlossen. Sie sollte in Erfahrung bringen, ob die technischen Einrichtungen grundsätzlich für die Wasserstoffspeicherung geeignet sind. In den letzten Wochen seien die Daten intensiv ausgewertet worden.

Das Ergebnis: Während der siebentägigen Entnahmephase konnten fast 90 % des zuvor injizierten Wasserstoffs zurückgewonnen werden. Die Performance der Lagerstätte sei zuvor mit einer „sehr homogenen Wasserstoffverteilung“ innerhalb des Speichers konstant geblieben. Weiterhin wiesen die getesteten Materialien keinen Einfluss von Wasserstoffkorrosion auf, so Uniper in einer Pressemitteilung. In den kommenden Projektphasen wollen die Partner untersuchen, ob die ersten Ergebnisse auch für höhere Wasserstoffkonzentrationen gelten. Je nach Ergebnis der weiteren Auswertung soll die zweite Betriebsphase noch in diesem Jahr erfolgen.

„Die ersten vorläufigen Ergebnisse stimmen insgesamt optimistisch“, kommentierte Doug Waters, Geschäftsführer von Uniper Energy Storage. Für eine abschließende Einstufung der süddeutschen porösen Gesteinsformationen für die reine Wasserstoffspeicherung sei es aber noch zu früh. Generell seien die Untertagespeicher in Bayern aufgrund ihrer großen Volumina und hohen Ein- und Ausspeicherleistungen „von hoher Bedeutung für die Erdgasversorgungssicherheit in den kommenden Jahren und langfristig für den Übergang zur saisonalen Wasserstoffspeicherung“, so Waters.

Gelegenheit für Wasserstoffarmaturen Made in Germany?

Deutsche Industriearmaturenbauer haben nun also die Chance, ihr Geschäft im Bereich der unterirdischen Wasserstoffspeicherung auszubauen. Mit der wachsenden Bedeutung von Wasserstoff als Baustein der Energiewende steigt auch die Nachfrage nach effizienten Speichermöglichkeiten. Hier kommen die unterirdischen Wasserstoffspeicher ins Spiel. Insbesondere der Neubau und die Umrüstung von Salzkavernenspeichern erfordert kurzfristig wasserstofftaugliche Armaturen in hohen Stückzahlen, aber Projekte wie HyStorage von Uniper deuten darauf hin, dass auch die Porenspeicher einen Markt in Aussicht stellen.

Industriearmaturenbauer haben die Expertise und das Know-how, um hochwertige Armaturen und Ventile zu entwickeln, die speziell für den Einsatz zur Gasspeicherung geeignet sind. Beispiele finden sich bei Unternehmen wie Vexve, das aus dem Zusammenschluss von Armatury und ZMK-Technologies hervorgegangen ist, und HEROSE aus Bad Oldesloe, das u.a. Lösungen für die kryogene Gasspeicherung entwickelt. Die Komponenten solcher Hersteller spielen schon heute eine entscheidende Rolle bei der sicheren und effizienten Speicherung von Wasserstoff.

Nun gilt es, auch die unterirdischen Speicherstätten zu erschließen. Kavernen und anderen unterirdischen Strukturen könnten sich so als regelrechtes Mekka für den Armaturenbau erweisen: Durch die Entwicklung von spezialisierten Armaturen, die den anspruchsvollen Anforderungen dieser Umgebungen gerecht werden, können Industriearmaturenbauer ihre Marktposition stärken und von dem wachsenden Bedarf an Wasserstoffspeicherlösungen profitieren. Dass die Nachfrage in diesem Feld steigen wird, bestätigen zahlreiche Studien. Insgesamt bieten diese wachsende Nachfrage nach Wasserstoffspeicherlösungen und die vorhandene Expertise deutscher Industriearmaturenbauer also eine Perspektive für die Expansion des traditionellen Geschäfts in einem zukunftssicheren Bereich – denn nur zuverlässig gespeicherter Wasserstoff bleibt keine Eintagsfliege.

Mehr zum Thema Wasserstoff in den Industriebereichen Armaturen und Ventile erfahren Sie auf der VALVE WORLD EXPO vom 3. bis 5. Dezember 2024 in Düsseldorf. Aktuelle Branchen- und Produktinformationen liefert Ihnen das Internetportal unter www.valveworldexpo.de.

Weiterführende Informationen und Quellen

https://www.uniper.energy/de/ueber-uniper/unternehmensportfolio/energiespeicherung?gad_source=1&gclid=EAIaIQobChMIkNT6oP7chQMVCpRoCR3RbA95EAAYASAAEgLQ-fD_BwE

https://energien-speichern.de/

https://h2-news.de/thema/speichersysteme/

https://www.vexve.com/de/vexve-armatury/