Goldgräberstimmung: Auf der Suche nach verstecktem Wasserstoff in der Erde
Laut einer amerikanischen Untersuchung ist tief unter der Erde so viel natürlicher Wasserstoff verborgen, dass dieser uns tausende von Jahre mit Energie versorgen könnte. Wie konnte das bisher übersehen werden und wo kann man ihn finden?
In einigen heißen Quellen auf Island konnten bereits Wasserstoffströme nachgewiesen werden.
Foto: Panthermedia.net/KrisCole
Wasserstoff gilt als wichtiger Treiber für die Energiewende – doch stellt man ihn aus Öl oder Gas her, ist er schmutzig. Grünen Wasserstoff herzustellen ist bislang noch recht teuer. Nun kommt auf einmal natürlicher Wasserstoff ins Spiel, eben solcher, der sich in der Erde versteckt. Bislang sind Forschende davon ausgegangen, dass die Förderung sich nicht lohnt, da es zu wenig davon gibt oder weil er zu schwierig zu fördern sei. Das war vielleicht ein Trugschluss, möglicherweise verfügt die Erde über riesige Vorräte von dem erneuerbaren, kohlenstofffreien Brennstoff. Überall auf der Welt wird mittlerweile danach gesucht. Es kommt Goldgräberstimmung auf. Auch Deutschland ist dabei und beteiligt sich an der Erforschung natürlicher Vorkommen von Wasserstoff in mehreren afrikanischen Ländern.
Natürlicher Wasserstoff für tausende von Jahren vorhanden?
Natürlicher Wasserstoff wird auch als weißer Wasserstoff bezeichnet. Lange Zeit ging man davon aus, dass er nicht in hohen Konzentrationen in der Erdkruste vorhanden sei, so dass sich eine kommerzielle Nutzung kaum lohnt. Ein Grund dafür war, dass man abertausende von Bohrungen nach Erdgas und Öl vorgenommen hat und nie auf größere Wasserstoffvorräte getroffen ist. Allerdings treten Wasserstoff und fossile Brennstoffe eher selten an denselben Orten auf. Außerdem wurde meist nicht gemessen, ob Wasserstoff aus dem Bohrloch austritt – man war ja auf der Suche nach Öl oder Erdgas.
Wasserstoff hatten die meisten einfach nicht auf dem Schirm. Spätestens mit Beginn des Krieges in der Ukraine hat sich das insbesondere in Europa geändert. Plötzlich braucht es auf die Schnelle Alternativen zu Öl und Gas. Alle arbeiten darauf hin, grünen Wasserstoff in großen Mengen herzustellen. Vielleicht ist das gar nicht in dem bisher angenommenen Ausmaß notwendig. Laut einem Modell des U.S. Geological Survey (USGS), das im Oktober 2022 auf einer Tagung der Geological Society of America vorgestellt wurde, könnte genügend natürlicher Wasserstoff vorhanden sein, um die wachsende weltweite Nachfrage für tausende von Jahren zu decken.
Weißer Wasserstoff noch unzureichend erforscht
Es scheint genügend weißen Wasserstoff zu geben. Ein erfreulicher Faktor dabei ist, dass natürlicher Wasserstoff nicht nur sauber, sondern auch erneuerbar sein könnte. Es dauert Millionen von Jahren, ehe aus vergrabenen und komprimierten organischen Ablagerungen Öl und Gas werden. Natürlicher Wasserstoff entsteht hingegen immer wieder aufs Neue, wenn unterirdisches Wasser mit Eisenmineralien bei hohen Temperaturen und hohem Druck reagiert. Allerdings wissen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nicht genau, wie er entsteht und wie er wandert. Auch ist noch nicht bekannt, ob er sich auf kommerziell nutzbare Weise anreichert.
„Das Interesse wächst schnell, aber die wissenschaftlichen Fakten fehlen noch“, sagt Frédéric-Victor Donzé, Geophysiker an der Universität Grenoble Alpes. Ähnlich sieht es Professor Doktor Gerald Gabriel vom Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik (LIAG): „Mit unseren geophysikalischen Untersuchungen möchten wir besser verstehen, welche geologischen Bedingungen das Auftreten natürlicher Wasserstoffvorkommen begünstigen“. Das LIAG ist an dem Projekt HyAfrica beteiligt, das natürlichen Wasserstoff als alternative Energiequelle untersucht.
Alles eine Frage des Preises
Laut Angaben von Statista kostete die Herstellung von grauem Wasserstoff im Jahr 2019 4,5 Cent pro Kilowattstunde, für grünen Wasserstoff war ein Preis von 16,5 Cent pro Kilowattstunde zu bezahlen. Das ist fast viermal so viel. Erst im Jahr 2050 wären wir demnach so weit, dass grüner Wasserstoff in etwa so viel kostet wie grauer, der Preis würde sich bei etwa 9 Cent pro Kilowattstunde einpendeln. Dafür ist jedoch ein gewaltiger Ausbau an Infrastruktur notwendig – es braucht jede Menge Solar- und Windkraftanlagen sowie Anlagen, in denen grüner Wasserstoff hergestellt wird.
Und was kostet weißer Wasserstoff? Wasserstoff aus dem Boden zu pumpen, dürfte viel billiger sein, weshalb Befürworter den natürlichen Stoff manchmal als „Gold“ bezeichnen. Laut Denis Brière, einem Petrophysiker und Vizepräsident bei Chapman Petroleum Engineering könnte die Gewinnung bis zu 50 Cent pro Kilogramm kosten. Ian Munro, CEO von Helios Aragon, einem Startup-Unternehmen, das in den Ausläufern der spanischen Pyrenäen Wasserstoff fördert, sagt, dass seine Break-even-Kosten zwischen 50 und 70 Cent pro Kilogramm liegen könnten.
Ein Kilogramm komprimierter Wasser hat einen Energiegehalt von 33 Kilowattstunden. Die Kosten von 50 bis 70 Cent sind somit noch durch 33 zu teilen, um den Preis pro Kilowattstunde zu ermitteln. Es ist leicht ersichtlich, dass natürlicher Wasserstoff um ein Vielfaches günstiger als grüner oder grauer Wasserstoff wäre. Sofern es funktioniert. „Wenn es funktioniert, könnte es die Energieerzeugung revolutionieren“, sagt Ian Munro. „Das ist ein großes ‚Wenn‘. Aber das wird man mit grünem Wasserstoff nicht erreichen, oder? Für mich ist das ein Fass ohne Boden.“
Weitere Hürden warten
Selbst wenn es mit der Förderung von natürlichem Wasserstoff klappen würde, hat die Energiequelle seine Schwächen. So ist in einem Kilogramm Wasserstoff zum Beispiel so viel Energie wie in vier Litern Benzin enthalten. Bei Umgebungsdruck nimmt dieses Kilogramm mehr Platz ein, als in eine Trommel eines typischen Betonmischwagens passt. Es bleiben die Speicherung in Drucktranks oder die Verflüssigung auf -253 Grad Celsius. Beide Varianten werden gemacht, verursachen jedoch zusätzliche Kosten und Probleme.
Dazu fehlt es derzeit noch an Pipelines und Verteilungssystemen. Das sind einige der Gründe, warum derzeit E-Autos mit Batterien gegenüber Wasserstoffautos mit Brennstoffzellen die Nase vorn haben. Auch beim Heizen von Häusern halten die meisten Experten elektrische Wärmepumpen selbst in Altbauten für sinnvoller als mit Wasserstoff betriebene Heizungen. Die Technik der Brennstoffzellenheizung ist vorhanden, bei denen wird der benötigte Wasserstoff jedoch nach wie vor aus Erdgas hergestellt – wirklich umweltfreundlich geht anders.
Wie konnte natürlicher Wasserstoff so lange übersehen werden?
Wir haben es an anderer Stelle bereits kurz angedeutet: Die Öl- und Gasbranche hat die Erde mit abertausenden von Bohrungen durchlöchert und nie ist aufgefallen, dass dort auch Wasserstoff eingelagert ist. Wie konnte das passieren? Der Hauptgrund liegt darin, dass Wasserstoff in den Sedimentgesteinen, aus denen Gas und Öl gewonnen werden, kaum vorkommt. Hinzu kommt, dass jeder Wasserstoff, auf den das Öl trifft, wenn es zum Beispiel durch porösen Sandstein wandert, in der Regel zu weiteren Kohlenwasserstoffen reagiert. Wasserstoff kann zudem mit Sauerstoff im Gestein zu Wasser reagieren oder sich mit Kohlendioxid zu Methan verbinden. Mikroben verschlingen es, um noch mehr Methan zu bilden.
Das alles führte zu der Annahme, dass sich Wasserstoff nicht in größeren Mengen in der Erdkruste anreichert. Wasserstoff ist zudem das kleinste Molekül von allen, es kann durch Mineralien und sogar Metalle dringen. Geologen hielten es daher für unwahrscheinlich, dass es in der Nähe blieb. Wenn Bohrlochforscher in der Vergangenheit ihre Bohrlochemissionen katalogisierten, machten sie sich daher selten die Mühe, nach Wasserstoff zu messen. „Unterm Strich haben sie nicht wirklich nach Wasserstoff gesucht“, sagt Geoffrey Ellis, ein Experte für organische Geochemie beim USGS. „Wir haben nicht an den richtigen Stellen und mit den richtigen Mitteln gesucht.“
Wo lässt sich wirtschaftlich nutzbarer natürlicher Wasserstoff finden?
Nachdem festgestellt wurde, dass es durchaus größere Quellen von natürlichem Wasserstoff geben dürfte, geht es nun darum festzustellen, inwiefern sich dieser wirtschaftlich nutzen lässt und wo er bevorzugt zu finden ist. Klar ist allerdings, dass die meisten Wasserstoffvorkommen zu schwach sind, um sie anzapfen zu können. Als wichtigster Motor für die Wasserstoffproduktion werden heute eine Reihe von Hochtemperaturreaktionen zwischen Wasser und eisenhaltigen Mineralien wie Olivin gesehen. Bei diesen Reaktionen entsteht durch Oxidation des Eisens ein Mineral namens Serpentit. Genauer gesagt werden bei diesem Prozess Sauerstoffatome aus Wassermolekülen aufgenommen und Wasserstoff freigesetzt.
Forschende haben diesen Prozess bereits am vulkanischen Mittelatlantischen Rücken aus nächster Nähe beobachtet. Dort werden die tektonischen Platten auseinandergerissen und Mantelgestein steigt auf, um neue Platten der Meereskruste zu bilden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konnten an einem Ort namens Lost City große Mengen an Wasserstoff messen, die aus dem Meeresboden sprudeln. Die Geologin Isabelle Moretti von der Universität Pau hat mit ihrem Team zudem vergleichbare Wasserstoffströme an einigen heißen Quellen und geothermischen Brunnen auf Island aufgezeichnet.
Generell gelten die Kratonen, das sind die alten Kerne der Kontinente, als aussichtsreiche Kandidaten für die Entdeckung größerer Wasserstoffvorkommen, die sich wirtschaftlich nutzen lassen. Dort gibt es Bänder aus eisenreichem Gestein, die Überreste von Ozeankruste sind und die bei der Kollision von Kontinenten zwischen die Kratone gequetscht wurden. Es ist dort heißer als 200 Grad Celsius, dennoch ist dort immer noch Wasser vorhanden, das von der Oberfläche durchsickert. Der ideale Ort für die Entstehung von Wasserstoff. Gefunden wurde Wasserstoff zum Beispiel bereits in Mali in Grünsteingürteln tief im westafrikanischen Kraton.
In den Kratonen gibt es neben den Grünsteingürteln jedoch noch eine zweite wichtige Quelle für Eisen, das Wasserstoff produzieren kann. Dazu müssen wir die Zeit um etwa 2,4 Milliarden Jahren zurückdrehen, wie der Geologe Alain Prinzhofer erläutert. Damals waren die Ozeane mit gelöstem Eisen gesättigt. Dann entwickelten die Mikroben jedoch die Fähigkeit zur Photosynthese und der von ihnen abgegebene Sauerstoff bewirkte, dass das Eisen als Rost auf den Meeresboden fiel. Dort verwandelte es sich schließlich zu Stein, das noch heute zumindest teilweise dort zu finden ist. Man geht davon aus, dass diese gebänderten Eisenformationen etwa 60 Prozent der weltweiten Eisenreserven enthalten.
Wo auf der Welt wird nach natürlichem Wasserstoff gesucht?
Mittlerweile gehen Unternehmen auf der ganzen Welt wie Goldgräber auf die Suche nach natürlichem Wasserstoff. Mitunter wird er daher auch bereits scherzhaft als „Gold“ oder „goldener Wasserstoff“ bezeichnet. Westafrika haben wir bereits genannt. Hier helfen unter anderem das Leibniz-Institut für Angewandte Geophysik und das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik beim Projekt HyAfrica mit. Die Aufgabe der deutschen Institute ist hierbei, das Nutzungspotenzial von natürlichem Wasserstoff zu untersuchen.
Auch in Spanien wird gesucht: In den Pyrenäen ist für Ende 2024 eine Erkundungsbohrung geplant. Im Kern des Gebirges befindet sich eisenhaltiges Meeresgestein, das gepresst und angehoben wurde, als die iberische Platte vor etwa 65 Millionen Jahren einen Ozean schloss und auf Frankreich prallte. Das Unternehmen Helios Aragon glaubt, dort einen idealen Standort für Wasserstoff gefunden zu haben. Noch wartet man auf eine Genehmigung, ist aber überzeugt, ein Vorreiter zu sein: „Wir glauben, dass wir die erste natürliche Wasserstoffbohrung in Europa sein werden“, erklärt Ian Munro, CEO von Helios Aragon.
In Südaustralien ist ebenfalls Goldgräber-Stimmung aufgekommen. Der Staat ist mit einer günstigen Geologie gesegnet, so gibt es zum Beispiel den Gawlor-Kraton sowie unzählige Eisen- und Uranminen. Durch die Nähe zum Meer ist man zudem überzeugt, dass die Eisenvorkommen mit Wasser gesättigt sind. Die ideale Bedingungen für die Bildung von Wasserstoff. Noch in diesem Jahr sollen Erkundungsbohrungen auf der York-Halbinsel Aufschluss darüber geben, was wirklich möglich ist.
In den USA gibt es nach Meinung von Geoffrey Ellis, Experte für organische Geochemie beim USGS, zwei aussichtsreiche Adern für natürlichen Wasserstoff. Die eine liegt etwa 10 bis 20 Kilometer vor der Ostküste, wo eisenhaltiges Mantelgestein in einer Tiefe von etwa 10 Kilometern unter dem Meeresboden liegt. Ein weiterer möglicher Hotspot liegt nach Angaben von Geoffrey Ellis im Mittleren Westen. Dort hat es ein vulkanischer Graben vor einer Milliarde Jahren nicht geschafft, Nordamerika zu spalten. Er brachte eisenhaltiges Mantelgestein in einem Band von Minnesota bis Kansas nahe an die Oberfläche. Erste Bohrungen haben dort bereits Wasserstoff nachgewiesen.
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