Wie zwei Forscher dabei helfen, dass wir in Zukunft saubere Energie haben

Wer sein Haus mit Öl oder Gas heizt, muss sich auch über die Lagerung Gedanken machen. Nicht selten fällt da die Wahl auf unterirdische Tanks, die im Garten eingelassen werden. Sie bieten die Möglichkeit, das Erdreich zu nutzen, während die Fläche weiter nutzbar bleibt. Forscher arbeiten derzeit daran, die unterirdische Lagerung von Energiequellen weiterzuentwickeln. Nur brauchen sie keine Tanks aus tonnenschwerem Stahl. Auch die Gärten von Einfamilienhäusern lassen sie in Ruhe. Vielmehr wollen sie unzählige Kubikkilometer an Gesteinsschichten verwenden, um in Zukunft vermehrt Wasserstoff als Energiequelle zu speichern.

Wasserstoff kommt auf der Erde hauptsächlich gebunden vor. Gemeinsam mit einem Sauerstoffatom bilden zwei Wasserstoffatome ein Molekül, das die Grundlage des Lebens bildet: Wasser. Anders als Wasser (H2O) ist Wasserstoff (H) brennbar. Das bedeutet: Bei der Verbrennung von Wasserstoff wird Energie frei – Energie, die genutzt werden kann, so wie bei Erdgas oder Methan. Das Gute an Wasserstoff ist, dass durch die Verbrennung nur Wasserdampf entsteht. Andere Gase, die wir bisher als Energieträger verwenden, haben den Nachteil, dass bei deren Verbrennung umweltgefährdende Stoffe wie Kohlenstoffdioxid (CO2) freigesetzt werden. Wenn der Wasserstoff also auch umweltschonend hergestellt wird, kann dieses Gas künftig eine wichtige Rolle beim Klimaschutz spielen.

Reiner Wasserstoff kommt zwar auch in der Natur vor, aber wird bislang nicht gefördert. Das Gas lässt sich jedoch herstellen, und zwar mit einem Verfahren, das Elektrolyse genannt wird. Bei der Elektrolyse wird Strom benutzt, um eine chemische Reaktion zu erzwingen – im Grunde das umgekehrte Verfahren wie bei einem Akku. Wasser wird mit elektrischer Energie aufgespalten, um Wasserstoff zu gewinnen.

Das kann das Problem der Erneuerbaren Energien lösen. Denn Solar- oder Windkraftanlagen produzieren nur Strom, wenn die Sonne scheint oder der Wind weht. Oft produzieren sie sogar zu viel, und dieser Überschuss an Energie kann nicht ins Stromnetz eingespeist werden und geht verloren. Wenn diese überschüssige Energie aber zur Elektrolyse benutzt werden würde, könnte ein Teil der Energie gespeichert werden – und zwar im Wasserstoff. Das Gas würde als Zwischenspeicher dienen. Man spricht daher von Wasserstoff als „Sekundärenergieträger“.

Aber nicht alles ist eitel Sonnenschein: Noch ist Wasserstoff keine marktreife Lösung. Denn bei der Elektrolyse geht auch viel Energie verloren – es kann nicht derselbe Anteil an elektrischer Energie wieder gewonnen werden, der zugeführt wurde. Und falls Wasserstoff als langfristiger Energiespeicher dienen soll, dann stellt sich vor allem die Frage, wie das Gas gelagert werden soll.

Wasserstoff ist das kleinste und leichteste Element, das es gibt. Weil die Atome des Gases so winzig sind, wird das Gas oft verdichtet, also unter hohem Druck zusammengepresst, damit es in kleinen Tanks gespeichert werden kann. Für längere Transporte, zum Beispiel mit dem LKW, werden Kühltanks eingesetzt, bei denen Wasserstoff bei unter minus 253 Grad Celsius gelagert wird, weil es dadurch flüssig wird und damit eine andere Dichte aufweist. Sehr große Mengen an Wasserstoff können aber nicht derart heruntergekühlt werden. Dafür bietet allerdings die Natur eine Lösung: Kavernen, nämlich große, unterirdische Hohlräume.

Wegen der Energiewende, also dem Umstieg auf mehr Erneuerbare Energien, wird es nötig, große Mengen an Wasserstoff zu lagern. Nun kann man aber nicht einfach so Gas in die Erde pumpen. Denn viele Fragen sind offen: Welche Kavernen eignen sich überhaupt dazu, Wasserstoff zu lagern? Wie verhält sich das Gas im Reservoir, dehnt es sich aus oder strömt es aus? Und wie bekommt man es wieder hinaus?

All diese Fragen müssen beantwortet werden, und unzählige Wissenschaftler forschen dazu in ihren Fachbereichen. Zwei kleine Rädchen in diesem System sind Fabian Tapias und Amirreza Zargar, die an der Universität Stuttgart das Verhalten von Flüssigkeiten untersuchen. Offiziell heißt ihr Gebiet „Strömung, Transport und reaktive Prozesse in porösen Medien“, an dem sie unter der Leitung von Maartje Boon am Porous Media Lab forschen.

Auf den ersten Blick scheint ihr Labor im dritten Stock eines Universitätsgebäudes ein wenig karg – doch schnell wird klar, dass hier zwei Doktoranten mit viel Eifer, komplizierten Geräten und fortgeschrittener Simulationstechnologie die Basis für Großes schaffen wollen. Die beiden betreiben Grundlagenforschung, bewegen sich also noch sehr in der Theorie, um überhaupt die Basis für eine effiziente Wasserstofflagerung zu schaffen.

Unterirdische Kavernen haben nämlich etwas an sich, das ein Stahltank nicht hat: Die Reservoire bestehen aus einem natürlichen Material, meist Gesteinsschichten. Diese Schichten sind oft heterogen aufgebaut, also durchmischt von verschiedensten Steinsorten. Das wird sowohl bei der Einlagerung von Wasserstoff als auch bei der eigentlichen Lagerung bedeutsam. Denn die Steine weisen eine unterschiedliche Porosität auf – haben also je nachdem mehr oder weniger Hohlräume, durch die beispielsweise der Wasserstoff fließen kann. „Das Prinzip kann man mit einem Schwamm vergleichen“, erklärt Zargar.

Bei ihrer Arbeit verbringen die beiden Forscher viel Zeit vor dem Computer und mit dem Warten auf Ergebnisse, die in ihrer Versuchszelle ablaufen. Ihr Ziel ist es, Simulationsmodelle am Computer zu erstellen, mit deren Hilfe sich aussagen lässt, ob bestimmte Kavernen oder Reservoirs für die Wasserstoffspeicherung geeignet sind. Damit die Simulationsmodelle aber aussagekräftig sind, braucht es konkrete Daten, die als Parameter taugen. Etwa, wie durchlässig ein Gestein ist, oder wie sich Wasserstoff verhält, wenn es auf die Oberfläche des Gesteins trifft. Um diese Parameter herauszufinden, haben Zargar und Tapias gemeinsam mit Boon eine Zelle gebaut.

Zargar forscht derweil an weiteren wichtigen Phänomenen wie der Auflösung von Gasen. „Am Ende geht es darum, Modelle zu erstellen, die auch auf große Gesteinsvorkommen angewendet werden können“, erklärt er. Noch geschieht alles in kleinen Gesteinsproben, in denen Vorgänge nur unter dem Mikroskop zu erkennen sind. „Wir haben hier keine ganzen Steine rumliegen“, scherzt Tapias.

So untersuchen die beiden tagtäglich, wie sich Flüssigkeiten in ein Gestein pressen lassen – und im Falle des Wasserstoffs auch wieder aus diesem hinausholen lassen. „Wasserstoff ist im Prinzip wie Öl, wir wollen ihn verbrauchen“, so Tapias. „Gase wie Kohlendioxid pumpt die Menschheit in den Boden und vergisst, dass sie existieren.“

Noch sind die Proben, mit denen Tapias und Zargar forschen, „sehr simpel gehalten“, wie Zargar erklärt. Bei Tapias‘ Tropfen sind bislang noch keine porösen Oberflächenstrukturen eingesetzt worden. Auch bei dem Strömungsverlauf von Zagars Versuchen ist die Struktur noch recht einfach in einem quadratischen Gitter-Muster gehalten. Aber Schritt für Schritt wollen die Wissenschaftler die Komplexität ihrer Versuchsaufbauten erhöhen.

Denn wenn es in der Industrie um Wasserstoff geht, werden neue Erkenntnisse gebraucht. Bis 2030 will die Bundesregierung die Wasserstoffkapazität auf 10 Gigawatt ausbauen – ein ambitioniertes Ziel. Zum Vergleich: 2023 gab es gerade mal genug Elektrolyseure, um 80 Megawatt zu erzeugen – es bräuchte also eine 125-Verfachung. Außerdem gibt es bisher in Deutschland zu wenig Speicherkapazität, um dem geplanten Bedarf an Wasserstoff gerecht zu werden. In den letzten Jahren haben Energiekonzerne verstärkt angefangen, Tests zu machen.

Das niedersächsische Energieversorgungsunternehmen EWE testete zum Beispiel in den vergangenen beiden Jahren in Rüdersdorf (Brandenburg) in einem kleinen unterirdischen Hohlraum verschiedene Szenarien. Dazu pumpte das Unternehmen rund sechs Tonnen Wasserstoff in einen Salzstock. Dort verdrängte das Gas ein noch vorherrschendes Gemisch, nämlich Sole – in Wasser gelöstes Salz.

Das Projektteam wertete aus, unter welchem Druck sich der eingelagerte Wasserstoff befand, wie er floss und welche Temperatur er annahm. Berücksichtigt wurde, wie sich das Gas beim Ein- und Auslagern verhielt, und es wurde gesteuert, wie schnell das Gas durchfloss. Das Projektteam testete auch, wie es um den Reinheitsgrad des Wasserstoffes bestellt war. Denn Wasserstoff kann mit den unterschiedlichen Bedingungen, die es in den unterirdischen Kavernen gibt, reagieren – etwa die Feuchtigkeit aufnehmen. Das würde die Reinheit beeinflussen. Damit der Wasserstoff aber weiterverwendet werden kann, etwa für die Nutzung in Fahrzeugen, ist ein Reinheitsgrad von nahezu 100 Prozent erforderlich.

Der Test war laut EWE erfolgreich. Das Energieunternehmen will die Erfahrungen und Ergebnisse aus Rüdersdorf nutzen, um auch größere Kavernenspeicher zu testen. EWE nimmt sich vor, in Zukunft die Speicherung von Wasserstoff möglich zu machen. Die Bedingungen dafür sind gut, denn das Unternehmen besitzt bereits 37 Salzkavernen, die als natürlicher Speicher nutzbar gemacht werden könnten. Aber es braucht noch Forschungsarbeit, um dieses Ziel auch umsetzen zu können.

Rund 670 Kilometer von Rüdersdorf entfernt wollen Tapias und Zargar an der Universität Stuttgart einen Teil zur sauberen Wasserstoff-Zukunft beitragen. Sie bilden ein kleines, aber eingespieltes Team, das sich mit den Eigenschaften von porösen Gesteinsschichten beschäftigt und damit vielleicht auch EWE helfen kann. Doch nicht nur auf fachlicher Ebene ist ihr Werdegang beeindruckend. Denn auf ihrem Weg in jenes enge Tropfen-Reich in Stuttgart legten beide einige Kilometer zurück. Zargar kommt aus dem Iran, verließ seine Heimat nach dem Bachelor-Abschluss und absolvierte seinen Master im italienischen Turin. Tapias startete seine Karriere in seiner Heimat Kolumbien, zog schließlich nach Brasilien und arbeitete dort nach seinem Master-Abschluss als Erdölingenieur. Als sich die Möglichkeit ergab, für ihre Dissertation nach Stuttgart zu kommen, packten beide Forscher einmal mehr ihre Sachen. „Deutschland gibt dir viele Möglichkeiten neben der Forschung, die das Leben leichter machen“, freut sich Tapias über die Unterstützung, die auch seine junge Familie samt Neugeborenem erfährt. 

„Wir haben uns zum ersten Mal hier in diesem Labor getroffen“, sagt Zargar. Von diesem Moment an habe sich ein gutes Team gebildet, aus dem inzwischen sogar eine Freundschaft entstanden sei. Diese wird auch noch ein wenig halten müssen. Vorhersagen, in welchen Materialien die Wasserstoffspeicherung besonders gut funktioniert, können die beiden noch nicht treffen. Dafür sei es einfach zu früh in der Forschung, meint Zargar. Ob am Ende also die Schwäbische Alb oder doch ein anderes Gebirge der neue Gastank aus unserem Garten wird, wird die Forschung von Amirreza Zargar und Fabian Tapias erst noch zeigen müssen.