HyINTEGER Motivation

Eine der zentralen Herausforderungen in der Umsetzung der ambitionierten energie- und umweltpolitischen Ziele der deutschen Bundesregierung im Zuge des geplanten Ausstieges aus Kohlenstoffdioxid emittierender und nuklear betriebener Stromproduktion hin zu erneuerbaren Ressourcen ist die Bereitstellung von ausreichend hohen, konstant und sicher bereitzustellenden Energiemengen zur Versorgung der deutschen Bevölkerung und Wirtschaft. Wichtige Quellen für regenerative Energie in Deutschland sind die Windkraft und die Solarenergie, die jedoch beide von den herrschenden Wetterbedingungen abhängen und somit (teilweise stark) schwankende Energiemengen liefern. Diese Fluktuationen in der Energieproduktion erfordern daher eine erhebliche Erweiterung der Speicherkapazität zur bedarfsgerechten Energiebereitstellung. Eine vielversprechende Lösung dieser Problematik könnte die elektrolytische Umwandlung von elektrischer in chemische Energie, verbunden mit einer stofflichen Speicherung in geologischen Strukturen darstellen. Die Grundidee ist durch dieses Verfahren Wasserstoff zu gewinnen, der in verschiedenen Medien potentiell speicherbar ist. Geologische Strukturen im Untergrund, wie z.B. ausgeförderte Erdgaslagerstätten, salinare Aquifere und Salzkavernen bieten die Möglichkeit wasserstoffhaltiges Erdgas oder auch Gasmischungen aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid sowie reinen Wasserstoff einzulagern. Die Injektion von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid in solche Strukturen könnte zudem eine Methanbildung begünstigen (analog der “Power-to-Gas - P2G“ Technologie), wie dies bereits in einigen wasserstoffreichen Stadtgasspeichern nachgewiesen wurde. Darüber hinaus sind jedoch die sicherheitstechnischen Auflagen bei solchen Speicherverfahren im Untergrund zu berücksichtigen, wie sie vom Deutschen Institut für Normung in der Vorlage „Untertagespeicherung von Gas“ und im „Merkblatt für die Bewertung von Untertage-Gasspeichern (Porenspeicher)“ gefordert werden. Diese besagen, dass ein Speicher so auszulegen ist, dass der langfristige Einschluss der gespeicherten Produkte sichergestellt ist. Der Speicher muss also eine technische und auch eine geologische Dichtheit vorweisen. In diesem Bereich setzten die geplanten Arbeiten in "HyINTEGER“ an, wobei gerade bei der technischen Nutzung des Untergrundes zur Speicherung von Wasserstoff und Wasserstoff-Gas-Mischungen noch umfangreiche Forschungsarbeiten erforderlich sind, zu denen das Projekt “HyINTEGER“ einen wertvollen Beitrag leisten kann. Dabei sind die speziellen Anforderungen für die Nutzung unterirdischer Großstrukturen, als Energiespeicher noch festzulegen und erfordern systematische Untersuchungen. Neben einer möglichst geringen Reaktivität der Speicherkomponenten (z.B. Mineralen, Formationsfluiden, Mikroorganismen, etc.) und einer hohen Dichtigkeit (z.B. ausreichend mächtige, weitgehend impermeable Deckschichten, das Fehlen von tektonischen Störungen), sind insbesondere auch korrosionsbeständige technische Installationen (v.a. Bohrungsausbau und -verrohrungen) für eine sichere Speicherung erforderlich. Die Korrosionsbeständigkeit der verwendeten Materialien ist eine wesentliche Voraussetzung für einen dichten Abschluss zwischen dem unterirdischen Speicher und der Oberfläche sowie der Umwelt (“Bohrungsintegrität“). Für eine effektive Speicherung chemischer Energie ist weiterhin zu berücksichtigen, dass geologische Reservoire ein komplexes System natürlicher und technischer Komponenten/Materialien darstellen, die miteinander wechselwirkend reagieren können. Daher ist es geplant in dem Verbundvorhaben “HyINTEGER“ solche Wechselwirkungen detailliert zu untersuchen und dazu beizutragen, den Nutzen als auch die Risiken bei einer industriellen Anwendung dieser Technologie bewerten zu können.

Ziele von HyINTEGER

Ziel der in “HyINTEGER“ geplanten Forschungsarbeiten ist die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen den technischen Einrichtungen eines Wasserstoffspeichers und den natürlichen (Untergrund-) Bestandteilen in einem stark korrosiven, hoch salinaren Milieu, unter Einsatz material-, ingenieur- und geowissenschaftlicher Methoden. Dabei sollen sowohl die chemisch-mineralogischen, mikrobiologischen und petrophysikalisch-geohydraulisch-geomechanischen Eigenschaften der Speicher- und Deckgesteine untersucht, als auch die Stabilität und Dichtigkeit der technischen Einrichtungen geprüft und ggf. weiter- und neuentwickelt werden. Diese Forschungen bauen auf vorherigen und derzeit noch laufenden Arbeiten auf, die an verschiedenen, nationalen und internationalen Forschungsverbünden zur Gasspeicherung beteiligt waren bzw. sind. Die große Bedeutung dieser Thematik und die Notwendigkeit diesbezüglicher Forschungen ist höchst aktuell u.a. in zwei Studien zur geologischen Wasserstoffspeicherung hervorgehoben worden (Reitenbach et al., 2014; HyUNDER, 2014). In HyINTEGER soll dies in engem Austausch zwischen anwendungsorientierter, wissenschaftlicher Forschung und den praktischen Anforderungen der Wirtschaft geschehen. Die geplanten Untersuchungen basieren v.a. auf experimentellen Autoklavenversuchen mit H2- und/oder CO2. Die durch die Gasexposition induzierten Reaktionen sollen teilweise mittels „in-situ“ Beobachtungen evaluiert und in die numerischen Simulationen integriert werden. Diese Experimente sollen Reaktionen zwischen den Komponenten der Bohrlochkomplettierungen (Verrohrungen, Zementierungen) und den charakteristischen Bestandteilen des Speichers (z.B. Mineralbestand, Formationsfluid, Kohlenwasserstoffverbindungen und Mikroorganismen) unter spezifischen Speicherbedingungen betrachten. Solche Reaktionen beeinflussen nicht nur die Speicherkapazität und -dichtigkeit der Reservoire (z.B. Porosität, Permeabilität, Injektivität und Dichtigkeit der Abdeckschichten), sondern auch das physikalisch-chemische Verhalten (u.a. Korrosionsbeständigkeit, Sprödverhalten, Zug- und Schereigenschaften) der, für die Komplettierung der Untergrundspeicherbohrungen eingesetzten technischen Werkstoffe und somit das Leckagerisiko entlang solcher Bohrungen. Zur Untersuchung solcher Reaktionen und deren Auswirkungen auf die Speichereigenschaften und das technische Inventar sollen v. a. (hochauflösende sub-) mikroskopische, mikro-tomographische (und Synchrotron), petrophysikalisch-geohydraulische, mechanische und bio-, geo-, hydro- sowie isotopenchemische Analysemethoden eingesetzt werden. Diese Daten sollen vor und nach den geplanten Autoklavenexperimenten erhoben werden, so dass die Auswirkungen einer Probenexposition gegenüber zwei Hauptgasphasen untersucht werden: (1) mit Wasserstoff (teilweise mit Zugabe von Schwefelwasserstoff-H2S, Essigsäure–C2H4O2) und (2) gegenüber CO2- und vorhergehender oder späterer H2-Zugabe, so dass die Auswirkungen dieser beiden Gase auf Alterationsprozesse und Methanisierungsreaktionen evaluiert werden können. Zudem sollen der Einfluss von mikrobiellen Stoffwechselprozessen auf die Bohrungsintegrität und die Korrosion an den obertägigen Installationen untersucht werden. Die hierfür verwendeten Materialien können als potentielle Energie- oder Nährstoffquellen für Mikroorganismen dienen und somit die Bildung von (permeabilitätsreduzierenden) Biofilmen verstärken. Die Betrachtung von potentiellen organischen und anorganischen Reaktionen im Speicher und den Bohrungskomponenten sowie gegenseitige Beeinflussung sind wichtiger Bestandteil der Arbeiten in HyINTEGER. Besonders bei einer Verfügbarkeit von Elektronenakzeptoren wie beispielsweise Sulfat oder Karbonat/Kohlenstoffdioxid, die Hauptbestandteile wichtiger Mineralkomponenten (z.B. Anhydrit, Calcit, Dolomit, etc.) in den Speichergesteinen, als auch den Bohrungszementen sind, können unter günstigen (Temperatur-) Bedingungen metallische Werkstoffe (z.B. Bohrlochverrohrungen) oder auch Speichergase wie Methan oder Wasserstoff mikrobiell oxidiert werden. Dabei kann bei solchen Prozessen Biomasse sowie, abhängig von den Stoffwechselwegen u.a. H2S oder CH4 (Methan) gebildet werden. Gerade die Bildung von H2S ist hier wegen dessen hoher Korrosivität als besonders kritisch für die Integrität von Bohrungen und verwendeter Materialien zu bewerten. Ergänzend und komplementär zu diesen Laborexperimenten ist geplant, Proben von technischen Materialien sowie Gesteine, Formationsfluide, Gase von über längere Zeit wasserstoffexponierten Bohrungen zu untersuchen. Entsprechende Feldversuche hierzu sind vom österreichischen Forschungsverbund “Underground Sun.Storage“ und dem argentinischen Unternehmen “Hychico“ noch für 2016 geplant und eine Kooperation mit HyINTEGER vereinbart. Dies eröffnet dem Projekt die Möglichkeit, durch die Experimente induzierte Alterationserscheinungen mit solchen aus natürlichen Wasserstoffspeichern zu vergleichen und die Relevanz der erhobenen Laborergebnisse zu überprüfen. Alle in diesen Untersuchungen erhobenen Daten sollen in numerische Simulationen eingehen, die u.a. die horizontale (im Reservoir) und vertikale (entlang der Bohrlochverrohrung) Ausbreitung von Wasserstoff und die (geologische bzw. technische) Dichtigkeit modellieren. Dabei gehen auch Leckageszenarien und die Auswirkungen von mehrfachen, zyklischen Ein- und Ausspeisungen von Wasserstoff auf die verschiedenen Bestandteile des Reservoirs (Gestein, Formationsfluid, Biozönosen, ggf. das Erdgas/Erdöl) und die Bohranlage mit ein. Dies soll u.a. Aussagen zu möglichen Veränderungen der Bohrlochinjizierbarkeit bzw. -produzierbarkeit und der Gaszusammensetzung über die Zeit im Speicher ermöglichen. Dabei gehen auch die Simulationen auf der μm-Skala ein, da solche, durch Lösungs- und Fällungsreaktionen infolge von Korrosion und anderen geochemischen Reaktionen auf kleinsträumiger Skala großen Einfluss auf den Porenraum bzw. Fluidbewegungen im gesamten Reservoir haben. Da für alle diese Untersuchungen und Modellierungen besonders die Porenraumstrukturen der Reservoirgesteine und das Sättigungs- sowie Strömungsvermögen der Formationsfluide (in Anwesenheit von Wasserstoff) von besonderer Bedeutung sind, sollen hierzu teilweise neue, noch zu entwickelnde Strömungs- und Transportmodelle auch für den μm-Bereich angepasst werden.