Wasserstoff: Speicher im Fels brauchen mehr als dicke Wände, um dicht zu sein
Lasertechnik soll Stahlhüllen unterirdischer Wasserstoffspeicher dichter und widerstandsfähiger machen – entscheidend für Felskavernen ohne Salz.
Im schwedischen Projekt Hybrit wird Wasserstoff anstelle von Kohle bei der Eisenerzreduktion verwendet und Wasser anstelle von Kohlendioxid freigesetzt. Dazu braucht es riesige unterirdische Wasserstofflager. Es ist eine felslager, die Lagerstätte arbeitet daher nach dem Prinzip der Lined Rock Caverns (LRC). dabei werden die Felswände mit Stahl ausgekleidet, der besonders verarbeitet werden muss, damit er undurchlässig für Wassersoff bleibt. Das Bild zeigt das Tor zu diesem Lager, das zu Testzwecken geschlossen ist.
Foto: Patrik Ohman/HYBRIT
Deutschland ist ein glückliches Land, wenn es um große Wasserstoffspeicher geht. Seine großen Salzstöcke sind bestens dafür geeignet, weil ein Salzstock gleichzeitig als Druckbehälter wie als Abdichtung geeignet ist. Und Wasserstoff ist extrem klein und schlüpft durch winzigste Wegsamkeiten oder Materialrisse.
Doch was machen Länder, die nicht so glücklich sind? Die können auf Felskavernen setzen. Auch sie könnten große Mengen Wasserstoff aufnehmen. Doch Fels ist nicht dicht. Es braucht eine sorgfältig präparierte Stahlauskleidung, damit diese Felsspeicher Druckwechsel und Wasserstoff dauerhaft aushalten.
Lined Rock Caverns, kurz LRC: ausgekleidete Felskavernen, heißt das Verfahren. Die stammt aus Schweden, dort entwickelt in den 1980er Jahren für die Erdgasspeicherung. Nun soll sie helfen, Wasserstoff für Industrieprozesse bereitzuhalten, erprobt wird das dort schon seit 2022. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen arbeitet aktuell an einem entscheidenden Teil: Die Stahlbleche der Innenhülle müssen dauerhaft dicht verbunden und gegen den Einfluss des Wasserstoffs geschützt werden. Neuartige Laserverfahren, die das ILT entwickelt, sollen genau das in Zukunft liefern.
Inhaltsverzeichnis
- Warum es geologische Wasserstoffspeicher braucht
- Wie ein Wasserstoffspeicher in einem Felsgestein funktionieren kann
- Warum Stahlauskleidungen für Wasserstoffspeicher ein Problem sind
- Weshalb LRC-Wasserstoffspeicher leicht aus den Nähten platzen könnten
- Wie Fraunhofer Wasserstoffspeicher im Fels mit Lasern besser abdichten will
- Wie Laser beim Wasserstoffspeicher für eine zusätzliche Schutzschicht sorgen
- Wie sich Wasserstoffspeicher unter Tage in den Fels bauen lassen
- Wo die Vorgeschichte der Wasserstoffspeicher beginnt
- Was schwedische Wasserstoffspeicher bereits gezeigt haben
- Wo Wasserstoffspeicher im Fels für Deutschland sinnvoll werden können
Warum es geologische Wasserstoffspeicher braucht
Nicht nur Deutschland ist dabei, seine großen, energieintensiven Industrieprozesse klimaneutral aufzusetzen. Dafür braucht es riesige Mengen Wasserstoff. Ein Elektrolyseur kann seine Produktion anpassen: er arbeitet dann, wenn der Strom günstig ist. Für Stahl oder Chemie, Papierproduktion oder Glasherstellung braucht es jedoch ziemlich konstant ziemlich viel Energie. Ein geologischer Speicher kann riesige Mengen Wasserstoff aufnehmen und gibt ihn dann ab, wenn die Industrie ihn braucht – nicht wenn der Strompreis günstig ist. Wie groß dieser Puffer sein muss, hängt davon ab, ob er wenige Stunden, mehrere Tage oder längere Versorgungslücken überbrücken soll.
Deutschland hat in diesem Szenario einen massiven geologischen Vorteil: mächtige Salzformationen, vor allem im Norden. Dort lassen sich große Kavernen anlegen; und sie sind schon angelegt. Die sichere deutsche Erdgasversorgung läuft genau über diese Speicher, auch wenn gerade die Debatte läuft, ob sie rechtzeitig gefüllt sind für den Winter. Die deutsche Wasserstoffstrategie setzt daher perspektivisch entweder auf die Umwidmung bisheriger Erdgasspeicher oder gleich darauf, neue Speicher für Wasserstoff auszusohlen. Ergänzend erproben Unternehmen wie Uniper auch die Wasserstofftauglichkeit von Porenspeichern, die es vor allem in Süddeutschland gibt.
Wie ein Wasserstoffspeicher in einem Felsgestein funktionieren kann
Wo geeignete Salzformationen fehlen, können technisch abgedichtete Felskavernen zusätzliche Standorte erschließen. Die Lined Rock Cavern (LRC) ist die bergmännische Variante: Ein Hohlraum wird gezielt im Gebirge geschaffen und technisch abgedichtet. Seine Innenhülle aus Stahlblech trennt den Wasserstoff vom Untergrund.
Den Hohlraum für solche LRC lassen sich nicht einfach aus vorhandenen Hohlräumen „recyceln“. Auch dort wären Tragfähigkeit, Abdichtung und sämtliche Zugänge zu untersuchen. Das LRC-Prinzip arbeitet mit dem Zwiebellook:
- Innen liegt die verschweißte Stahlauskleidung, der sogenannte Liner.
- Eine Betonhinterfüllung überträgt die Last auf das Gebirge. Das schafft eine gleichmäßigere Auflage.
- Das umgebende Gestein fängt den Druck auf.
- Gleit- und Drainagesysteme lassen Bewegungen zwischen den Bauteilen zu und leiten Wasser ab. Sensorik hinter der Auskleidung kann helfen, Leckagen zu detektieren.
Beim Befüllen drückt das Gas gegen den Stahl, der sich geringfügig verformt. Beton und Fels begrenzen diese Bewegung und tragen den wesentlichen Teil der Last. Das ist der Unterschied zum frei stehenden Druckbehälter: Dessen Wand nimmt den Innendruck selbst auf, bei der LRC nimmt das umliegende Gebirge den Druck auf. Problem. Der Stahlmantel wird immer wieder mechanisch beansprucht. Er muss die Verformungen des Gesamtsystems mitmachen, ohne undicht zu werden.
Entscheidend ist dabei nicht nur, wie sich die Kaverne insgesamt bewegt. Treten Wegsamkeiten im Fels auf oder Risse im Beton, wird die Dehnung dort lokal konzentriert. Dann wird ein begrenzter Abschnitt der Stahlauskleidung stärker beansprucht als seine Umgebung. Wer die Hülle bemisst, muss wissen, wie sich Untergrund, Hinterfüllung und Stahl gemeinsam unter wechselndem Druck verhalten. Und die Stahlauskleidung muss bei allem mitgehen – sonst ist der Speicher kein Speicher mehr. Zumindest nicht für den hochmobilen Wasserstoff.
Warum Stahlauskleidungen für Wasserstoffspeicher ein Problem sind
Wasserstoff kann durch einen Defekt entweichen, zum Beispiel einen Riss in einer Schweißnaht. Und Wasserstoffmoleküle sind viel kleiner und damit mobiler als zum Beispiel Methan, aus dem Erdgas im Wesentlichen besteht.
Wasserstoff greift aber auch den Werkstoff an, dringt in das Metall ein und kann sozusagen durchwandern. Permeation nennt sich das Phänomen, es funktioniert so:
- H₂-Moleküle lagern sich an der Metalloberfläche an.
- Die H2-Moleküle können dort in atomare Form übergehen.
- Stahl kann einzelne H-Atome aufnehmen.
- Dann diffundiert das H-Atom durch den Stahl hindurch.
Dann ist nicht nur der Wasserstoff nicht mehr im Speicher, sondern auch die Stahlauskleidung nicht mehr die alte. Die Aufnahme von Wasserstoff durch die Metall-Gitterstruktur kann dessen mechanische Eigenschaften ändern. Es entsteht ein vielschichtiges Krankheitsbild des Stahls, das unter Wasserstoffversprödung bekannt ist:
- Wasserstoff beeinflusst Gitterfehler, Vorgänge an Grenzflächen und hoch beanspruchten Bereichen.
- Je nach Stahl und Belastung sinken Verformbarkeit oder Bruchzähigkeit;
- Vorhandene Risse können unter wiederholter Last schneller wachsen.
Bei der Werkstoffwahl für die Stahlauskleidung eines LRC zählen daher Stahlgüte, Gefüge und Oberflächenzustand ebenso wie Druck, Temperatur und Belastungsverlauf.
Weshalb LRC-Wasserstoffspeicher leicht aus den Nähten platzen könnten
Stahlauskleidung für einen unterirdischen Felsspeicher besteht aus einzelnen Blechen. Die werden untertage vor Ort verbunden, sie werden verfügt. Und diese Verbindungen sind der Knackpunkt. Beim Schweißen entsteht Schweißgut; es gibt Wärmeeinflusszonen, deren Gefüge vom Ausgangsmaterial abweichen kann. Poren, Bindefehler oder ungünstige Nahtübergänge, die sich in dieser Arbeitsphase bilden, könnten Ausgangspunkte für Folgeschäden sein.
Im Betrieb ändert dann jeder größere Druckwechsel die Beanspruchung. Wenn zum Beispiel im Stahlwerk der Wasserstoff gebraucht wird, muss der Speicher liefern. Der Druck im LRC sinkt, der Liner entspannt sich beim Entleeren. Beim Befüllen steigt der Druck. Solche Lastspiele, die zu einer Materialermüdung führen können, werden zwar bei der Auslegung eines LRC berücksichtigt. Doch unter Wasserstoff kann der Rissfortschritt gegenüber einer Materialprüfung an Luft beschleunigt sein.
Wie Fraunhofer Wasserstoffspeicher im Fels mit Lasern besser abdichten will
Das Fraunhofer ILT entwickelt dafür im europäischen Projekt HyCavern laserbasierte Schweißprozesse und Schutzschichten. In seiner Mitteilung vom 24. September 2026 beschreibt das ILT, was der Liner leisten muss:
- Sie sollen hohen Drücken widerstehen,
- Leckagen vermeiden und
- langfristig gegen wasserstoffbedingte Schädigung beständig sein.
Yingwei Wu leitet am ILT das Arbeitspaket für Stahl und Beschichtungen. Die Aachener bearbeiten unmittelbar die metallische Gasbarriere der künftigen Felskavernen. Beim Laserfügen lässt sich die Energie räumlich gezielt an der Verbindungsstelle einbringen. Wichtig ist, dass der Fügeprozess durch das Laserverfahren kontrollierbar wird. So lassen sich dann belastbare, dichte Nähte entwickeln. „Mit gezielt aufgebrachten Schutzschichten und geeigneten laserbasierten Fügeprozessen wollen wir verhindern, dass Wasserstoff in das Material eindringt und dort Schäden verursacht“, so Wu, „So können wir dazu beitragen, die Lebensdauer und Sicherheit der Speicher zu erhöhen.“
Welche Naht entsteht, hängt von Werkstoff, Bauteilgeometrie und Prozessführung ab. Und es gilt auch für Laserschweißnähte: Sie hat ein verändertes Gefüge und muss geprüft werden. Die Forschung soll deshalb die Auswahl der Stahlgüte mit Schweißtechnik und Beschichtungsstrategie zusammenführen. Für Betreiber wäre ein reproduzierbarer, prüfbarer Fertigungsprozess entscheidend: Die Qualität muss über die gesamte Hülle erreichbar sein, auch an Übergängen und später bearbeiteten Stellen.
Wie Laser beim Wasserstoffspeicher für eine zusätzliche Schutzschicht sorgen
| Projekt | Ort/Land | Akteure / Konsortium | Status | Projektinhalt |
| HYBRIT Pilot | Luleå (Svartöberget)/Schweden | SSAB, LKAB, Vattenfall | In Betrieb (Demonstrationsanlage) | Weltweit erste aktive H2-LRC-Anlage in Granitgestein mit Stahlliner. Seit 2022 erfolgreich im Testbetrieb für ein Direktreduktions-Stahlwerk. |
| HyCavern | EU-weit (Konsortium u. a. DE, NO, FR) | SINTEF (Leitung), Fraunhofer ILT, Picum MT u. a. (15 Partner) | Forschungs- & Qualifizierungsprojekt | Entwicklung und Feldvalidierung von standardisierten LRC-Speichersystemen für felsige EU-Regionen ohne Salzstöcke |
| Skallen | Skallen (Halmstadt)/Schweden | Sydkraft, Gaz de France | Historische Referenzanlage | Erste kommerzielle LRC-Anlage im Hartgestein (ursprünglich für Erdgas gebaut). Dient seit 2004 als geomechanische und konstruktive Daten-Blaupause für H2-LRC-Designs. |
Der zweite Aachener Ansatz setzt an der Oberfläche an. Eine Schutzschicht soll den Eintritt von Wasserstoff in den Stahl reduzieren. HyCavern nennt dafür ausdrücklich das Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen, kurz EHLA. Dieses vom ILT mitentwickelte Verfahren dient dem Beschichten. Bei EHLA wird ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff dem Laserstrahl zugeführt. Die Partikel schmelzen oberhalb der Werkstückoberfläche auf und gelangen als flüssige Tropfen in das Schmelzbad. Dadurch lässt sich Material als dünne, metallurgisch angebundene Schicht auftragen.
In LRC-Anlagen soll EHLA jetzt helfen, eine wirksame Barriere gegen Wasserstoff mit einer belastbaren Stahlunterlage zu verbinden. Ob daraus eine dauerhaft wirksame Sperrschicht wird, entscheidet sich unter den Bedingungen des Speichers. Die Beschichtung muss haften und Verformungen mitmachen. Eine Messung an einer unversehrten Probe genügt nicht: Auch Nahtbereiche, lokale Defekte und Reparaturstellen müssen berücksichtigt werden.
Welche Materialkombination HyCavern dafür letztlich qualifiziert, ist in den ausgewerteten Veröffentlichungen noch nicht festgelegt. Die Schutzwirkung ist ein Entwicklungsziel, das Projekt läuft noch.
Wie sich Wasserstoffspeicher unter Tage in den Fels bauen lassen
All die Laborprozesse, die im Projekt HyCavern entwickelt werden, müssen vor Ort funktionieren. In den Dimensionen eines Speicherkavernen. Für Fügen und Nacharbeiten der Stahlauskleidung muss das vor Ort funktionieren. Möglich machen sollen mobile Robotikplattformen für die Herstellung und Reparatur des Stahl-Liners, an dessen Entwicklung die deutsche Picum MT aus Hannover beteiligt ist.
HyCavern läuft laut EU-Projektdatenbank Cordis von Anfang 2026 bis Ende 2028 unter Koordination der norwegischen stark industriell vernetzten Forschungsorganisation Sintef. Ziel ist der Technologiereifegrad TRL 5, die Validierung in einer relevanten Umgebung. Zum Projekt gehören Modellierung, Überwachung und Standortbewertung. Bewiesen wäre die Langlebigkeit eines entsprechend erstellten LRC damit aber noch nicht.
Wo die Vorgeschichte der Wasserstoffspeicher beginnt
Die Entwicklung des LRC-Konzepts begann in Schweden Mitte der 1980er-Jahre unter Federführung des Energieunternehmens Sydkraft. Damals sollten Erdgasspeicher Verbrauchsschwankungen ausgleichen und die Versorgung absichern. In Grängesberg wurde das Prinzip erprobt. Der Fachaufsatz zur späteren Anlage in Skallen berichtet, dass die Versuchskaverne mehr als 50 MPa standhielt, also mehr als 500 bar – ein Versuchsergebnis, und somit noch kein Betriebsdruck, der valide auf LRC-Anlagen für Wasserstoff zu übertragen wäre.
Den industriellen Maßstab erreichten Sydkraft und Gaz de France mit Skallen im Südwesten Schwedens. Der Ausbruch war Ende 2000 abgeschlossen, der Bau 2002 fertig, 2004 begann der kommerzielle Betrieb im Erdgasnetz. Industrieller Maßstab heißt hier:
- 40.000 m³ Kavernenvolumen,
- 52 m Höhe
- 36 m Durchmesser
- ein rund 1 km langer Zugangstunnel
- ein 115 m tiefer Schacht.
Der Hohlraum erhielt eine siloartige Form mit Kuppel und gewölbtem Boden. Gebaut wurde in überwiegend gutem kristallinem Gneis, den schwächere Amphibolitgänge durchziehen. Der Erdgasbetrieb belegt das Bauprinzip, aber nicht die Eignung für den Wasserstoffbetrieb. Darauf musste noch knapp zwei Jahrzehnte gewartet werden.
Was schwedische Wasserstoffspeicher bereits gezeigt haben
Dass die Wasserstoffanwendung grundsätzlich funktioniert, untersucht das schwedische Hybrit-Konsortium aus SSAB, LKAB und Vattenfall schon seit 2022 in der Praxis. Sein Pilotspeicher in Svartöberget bei Luleå besitzt 100 m3 Volumen und liegt etwa 30 m unter der Erde.
Hybrit ist in erster Linie ein Pilotprojekt zur Dekarbonisierung von Stahl. Dass es dazu eine große Menge Wasserstoff braucht, führte dazu, den LRC-Betrieb ebenfalls mit zu erproben. Am Stahlwerk wird grüner Wasserstoff aus Ökostrom erzeugt, der wird in der LRC-Anlage gespeichert; über Direktreduktion lässt sich dann grüner Stahl herstellen.
In seiner Ergebnisveröffentlichung von 2025 meldete Hybrit, dass keine Wasserstoffleckage durch die abdichtende Stahlschicht nachgewiesen worden sei. Die Stahlproduktion im Rahmen des Hybrit-Projektes wird in Kampagnen gefahren. Nach einer Mitteilung vom Februar 2026 waren bis einschließlich 2025 rund 5700 h gemeinsamer Betrieb von Wasserstoffproduktion und Speicherung erreicht, bei 96 % Verfügbarkeit. Die befristete Baugenehmigung wurde verlängert, der Pilotbetrieb ist bis 2031 gesichert.
Im Rahmen des Projektes wurde der Speicher zusätzlich belastet. Häufige Druckwechsel, die nichts mit den Stahlkampagnen zu tun hatten, sollten die Belastbarkeit testen. Laut Hybrit habe sich so bezogen auf die mechanische Belastung eine erwartete Betriebsdauer von mindestens 50 Jahren nachweisen lassen.
Wo Wasserstoffspeicher im Fels für Deutschland sinnvoll werden können
Für Deutschland steht mit diesen ersten erfolgreichen Tests die LRC-Methode zumindest als zusätzliche Option parat. Große Salzspeicher und die Erprobung von Porenspeichern bleiben aber hierzulande der naheliegende Ausgangspunkt.
LRC könnte dort interessant werden, wo geeigneter Fels nahe einem großen Wasserstoffverbraucher liegt und Alternativen weniger günstig sind.
Die nächste entscheidende Frage lautet, welche Kombination aus Stahl, Naht und Schutzschicht ihre Dichtfunktion über die vorgesehenen Druckzyklen behält und sich zu vertretbaren Kosten herstellen lässt. Ob aus den schwedischen Versuchen und dem HyCavern-Projekt eine breiter einsetzbare Speichertechnik wird, entscheidet sich auch an der Laserkompetenz aus Aachen: nur, wenn der Stahl-Liner in der Praxis dicht hält, wird LRC als Wasserstoffspeicherung geeignet sein.
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