Wasserstoffspeicherung im geologischen Untergrund Stand der Technik und Potential

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1 Fachkonferenz Energiespeicher für Deutschland Wasserstoffspeicherung im geologischen Untergrund Stand der Technik und Potential Fritz Crotogino KBB Underground Technologies GmbH Hannover Underground Engineering

2 Inhalt 1. Einleitung 2. Über 30 Jahre Erfahrung mit Untertage-Speicher für Gas 3. Gas-Speicher-Optionen in geologischen Formationen 4. Anforderungen an geologische Speicher für Wasserstoff 5. Technischer Vergleich der relevanten Speicheroptionen 6. Verfügbarkeit und regionale Verteilung von Speicherformationen 7. Nutzungskonkurrenzen im geologischen Untergrund 8. Zusammenfassung

3 1. Einleitung Die umweltfreundliche, sichere und kostengünstige Speicherung großer Energiemengen in Form von Erdgas und Erdöl im geologischen Untergrund ist eine seit Jahrzehnten bewährte Technologie Der Übergang von fossil / nuklearen auf fluktuierende erneuerbare Energieträger erfordert langfristig sehr große Speicherkapazitäten, die nur im geologischen Untergrund realisiert werden können Für kurzfristige Speicherzeiten kommen Pump- und Druckluft- Speicher, für längerfristige vorrangig Wasserstoff- bzw. Methanspeicher infrage Gegenstand des Vortrags sind Anforderungen an geologische Speicher und die Beschreibung der relevanten Speicheroptionen und ihrer Charakteristika Weitere Punkte betreffen das deutschland- und das europaweite geologische Potential für Energiespeicher sowie sich abzeichnende Nutzungskonkurrenzen im Untergrund

4 2. Über 30 Jahre Erfahrungen mit Betrieb von Untergrund-Speichern (UGS) für Erdgas und Erdöl Gasversorgung in Deutschland beruht u.a. auf der Verfügbarkeit von über 40 UGS-Anlagen für Erdgas Speicherkapazität derzeit für Erdgas ca. 42+ Tage - für Strom dagegen nur ca. 40 Minuten! Aufgaben der UGS: saisonaler Ausgleich, Reserve für extreme Kältebzw. Hitze-Periode, Reserve für Liefer-ausfall, Lastmanagement Optionen für UGS nach Bedeutung: - Ausgeförderte Erdgas-Lagerstätten, - Aquifer-Formationen, - künstlich erstellte Salzkavernen Salzkavernen gewinnen an Bedeutung wegen größerer Flexibilität Vorteile von Untertage- gegenüber Obertage-Speichern: Sicherheit, geringer Flächenbedarf, geringe spezifische Kosten, extrem große Speicherkapazität wegen großer Hohlraumvolumina und Drücke

5 Erdgasspeicher in Deutschland Kapazität: >20% des jährlichen Verbrauchs Porenspeicher Salzkavernen

6 Aufgaben der heutigen Erdgasspeicher

7 Energieversorgungs-Kette heute (Basis: fossile Energieträger) Primäre Energie-Quelle Energieträger Strom Primär- Energie- Quelle Leistung vs Zeit Speicher. Umwandl. in Leistung Leistung vs Zeit Speicher. Netz 42 Tage Speicher <1 Stunde Speicher Speicherung des primären Energieträgers vor Umwandlung in elektrische Energie

8 Energieversorgungs-Kette zukünftig (Basis: Strom aus Erneuerbarer Energie) Primäre Energie-Quelle Energieträger Strom Primär- Energie- Quelle Leistung vs Zeit Speicher. Umwandl. in Leistung Leistung vs Zeit Speicher. Netz 42 Tage Speicher < 1 Stunde Speicher Speicherung des primären Energieträgers nach Umwandlung in elektrische Energie

9 3. Überblick über Gas-Speicher in geologischen Formationen Ausgeförderte Öl- oder Gaslagerstätte - Natürliche Hohlräume in porösem Gestein; ursprünglich Öl- oder Erdgas-gefüllt - weltweit No.1 bei Erdgasspeichern Aquiferspeicher - Natürliche Hohlräume in porösem Gestein; ursprünglich Wasser-gefüllt; weltweit No. 2 bei Erdgasspeichern Salzkaverne - Künstlich erstellte Hohlräume; No. 3 bei Erdgasspeichern aufgelassenes Bergwerk - Nutzung vorhandener Bergwerke - Ein Bergwerk in Europa zur Erdgasspeicherung wenig Potential Felskaverne - Bergmännisch aufgefahrener Hohlraum mit gasdichter Auskleidung - Eine Demo-Anlage in Schweden (machbar, aber teuer wenig Potential)

10 Porenspeicher (ausgeförderte Lagerstätte & Aquifer) Gesteinsmatrix Porenspeicher Gas Wasser

11 Salzkavernen Solung einer Kaverne Sole Wasser Stickstoff Stickstoff Salzkavernen

12 Entwicklung einer Kaverne über 2 Jahre

13 Aufteilung der Investkosten für eine 280 GWh Wasserstoff-Speicheranlage inkl. 1 GW Elektrolyse (grobe Schätzung)

14 4. Anforderungen an geologische Formationen für Wasserstoffspeicher Dichtheit der Speicherformation bzw. der abdichtenden Formation sowie der Zugangsbohrungen inklusive Komplettierung (Einbauten) Geringer Kissengasanteil (nicht nutzbarer Gasanteil unterhalb des Minimaldrucks) Hohe Flexibilität bei Ein- und Auslagerung Hohe Ein- und Auslagerungsraten; d.h., geringe Druckverluste innerhalb des Speichers Möglichst keine Reaktionen von Wasserstoff mit Wirtsgestein, Mikroorganismen und Fluiden im Speicher

15 5. Eigenschaften ausgewählter Speicheroptionen Ausgeförderte Öl- oder Gas-Lagerstätten Bereits vorhandener Speicher und inkl. technischer Installationen (Bohrungen) Dichtheit durch Existenz der Lagerstätte über geologische Zeiträume nachgewiesen Lagerstätte gut erkundet geringes geologisches Risiko Geringe Flexibilität bzw. Umschlaghäufigkeit Hoher Kissengas-Anteil (nicht nutzbares Gas unterhalb Minimaldruck) Hoher Anteil nicht geförderter Kohlenwasserstoffe; Risiko der Verunreinigung von Wasserstoff Reaktion zwischen Wasserstoff und in-situ Inventar (Gestein, Fluide, Mikroorganismen) möglich

16 Aquiferspeicher Lagerstätte i.d.r. nicht erkundet großer Explorationsbedarf; Risiko, dass Erkundung kein positives Ergebis zeitigt Aufwändiger Nachweis der Dichtheit insbesondere bei Wasserstoff Nennenswerte Druckverluste innerhalb der Lagerstätte bei hohen Ein- / Auslagerungs-Raten geringe Flexibilität bzw. Umschlaghäufigkeit hoher Kissengas-Anteil (nicht nutzbares Gas unterhalb Minimaldruck) Reaktion zwischen Wasserstoff und in-situ Inventar (Gestein, Fluide, Mikroorganismen) möglich

17 Salzkavernen Künstlich erstellter Hohlraum Salzgestein extrem dicht gegen Gase auch Wasserstoff Erstellung durch Injektion von Wasser, Lösen des Salzgestein und anschließendes Verdrängen der entstehenden Sole nach obertage; dort umweltgerechte Entsorgung Typisches Volumen pro Kaverne: m³ bei Drücken zwischen 60 und 180 bar Notwendigkeit der umweltgerechten Entsorgung großer Volumina konzentrierter Salzsole während der Bauphase Mehrere Jahre Bauzeit Keine Druckverluste innerhalb des Speichers; deshalb hohe Ein- / Auslagerungsraten möglich Hohe Flexibilität (hohe Umschlagshäufigkeit möglich) Keine Reaktion zwischen Salz und Wasserstoff Wasserdampf-Aufsättigung des Speichergases durch Restsole

18 Vergleich der Kapazitäten von Wasserstoff-Kavernen-Speicher und hydraulischem Pumpspeicher Pumpspeicher Goldisthal V = 12 Mio. m³ P = MW W = MWh 2-Kavernen-Anlage V = 1 Mio. m³ (ges.) P = MW W = MWh Kapazität Goldisthal

19 6. Verfügbarkeit der Speicherformationen Ausgeförderte Öl- oder Gaslagerstätten In Deutschland Mrd. m³(v n ) Arbeitsgas (Erdgas) installiert (entspricht 432 TWh bei Speicherung von Wasserstoff) Geographische Verteilung bekannt durch Exploration & Förderung von Erdgas & Erdöl Wichtigste Vorkommen von Gaslagerstätten in Niedersachsen Anforderung an Gaslagerstätten zur Nachnutzung als Speicher (ausreichende Permeabilität und nicht zu große Teufe (zu hohe Drücke!)) können von vielen Lagerstätten nicht erfüllt werden Verfügbarkeit beschränkt durch bereits bestehende Nutzung für Erdgasspeicherung Kapazität für zusätzliche Speicher begrenzt gilt auch für die meisten europäischen Länder Anwendung für Wasserstoff-Speicherung noch unklar wegen möglicher Verunreinigung Kohlenwasserstoff-Resten

20 Öl- und Gasfelder in Deutschland Nordostdeutsches Becken Nordwestdeutsches Becken Thüringer Becken Rheintalgraben Quelle: BGR Alpenvorland

21 Aquiferspeicher In Deutschland Mrd. m³ (V n ) Arbeitsgas (Erdgas) installiert (entspricht 54 TWh bei Speicherung von Wasserstoff) Vorkommen von Aquiferformationen untersucht für Speicherung von CO 2 Hiervon nur geringer Anteil geeignet für Gasspeicherung, da Anforderungen stark abweichend zu CO 2 (Druckniveau, Umschlaghäufigkeit, Topographie) Wichtigste Vorkommen möglicherweise geeigneter Formationen im Nordwestdeutschen Becken Kapazität für zusätzliche Speicher begrenzt Indikation ist die geringe Anzahl realisierter Aquifer-Gasspeicher in Deutschland

22 Aquiferformationen in Deutschland (Knopf, BGR) Teufenbereich, relevant für H2 Speicherung

23 Aquifer-Speicher in Deutschland Aquifer- Gasspeicher Quelle: R. Sedlacek, Erdöl Erdgas Kohle 11/2009

24 Salzformationen zur Anlage von Speicherkavernen In Deutschland Mrd. m³(v n ) Arbeitsgas (Erdgas) installiert (entspricht ca. 251 TWh bei Speicherung von Wasserstoff) Geographische Verteilung von Salzformationen gut bekannt durch existierende Salzgewinnung, Kavernenprojekte, durch Exploration von Erdgas & Erdöl und direkt von Salzgestein Verfügbarkeit gut geeigneter Formationen eingeschränkt durch bereits bestehende Nutzung bzw. Planung für Erdgasspeicherung Wichtigste Vorkommen im westlichen Norddeutschland, in Mitteldeutschland und in Westdeutschland im Grenzbereich zu den Niederlanden In den Niederlanden, in England, Frankreich und Spanien Vorkommen beschränkt auf wenige Regionen Kapazität für zusätzliche Speicher vorhanden, wenn z.t. auch in weniger optimalen Formationen

25 Salzformationen & Kavernen in Europa

26 Salzvorkommen und Kavernen in Deutschland

27 7. Nutzungs-Konkurrenzen im geol. Untergrund Zukünftig großer Bedarf an geologischem Formationen zur Sicherstellung der zukünftigen Energieversorgung Speicherung von Erdgas Speicherung von Druckluft Speicherung von Wasserstoff Speicherung thermischer Energie Gewinnung geothermischer Energie Endlagerung von Kohlendioxyd (CO 2 ) Nutzungen konkurrieren teilweise um gleiche Lagerstätten Volkswirtschaftlich sinnvolle Verteilung erforderlich anstatt wer zuerst kommt Raumordnung auch im Untergrund erforderlich (3D-Raumordnung bereits zahlreiche Initiativen in Deutschland)

28 Eigenschaften der Lagerstätten im Vergleich groß gering gering sehr gering sehr groß gering mittel groß mittel sehr groß groß mittel

29 Anforderungen der Energieträger an Speicher

30 Konkurrenz verschiedener Nutzer geologischer Formationen bei gleicher Lagerstätte

31 IFC1 Zeithorizonte für Einsatz (grobe Schätzung) Erdgas Wasserstoff (H2) Druckluft (CAES) CO2 (CCS) Geothermie 2011

32 Folie 31 IFC1 bisher technische Aspekte; ein anderer Aspekt betrifft den Zeitpunkt, zu dem Bedarf erwartet werden kann. F+I Crotogino;

33 8. Zusammenfassung Über 30 Jahre positive Erfahrung mit der Speicherung von Erdgas in geologischen Formationen Über 10 Jahre positive Erfahrung mit der Speicherung von Wasserstoff in Salzkavernen in England und in den USA Energiespeicherung im Untergrund ist sicher, umweltfreundlich und ökonomisch Zukünftige Energieversorgung basiert vorwiegend auf elektrischer Energie; Speicheroptionen - für kurzfristige Anwendungen: Pump- und Druckluftspeicher - für mittel- bis langfristige Anwendungen: Wasserstoff und Methan

34 Zusammenfassung (Forts.) Wasserstoffspeicherung bevorzugt in Salzkavernen (flexibel, inert); ansonsten in Aquiferformationen oder ggf. auch ausgeförderten KW-Lagerstätten; bei Lagerstätten sind noch mögliche Reaktionen zwischen Wasserstoff und insitu-inventar zu klären Potential an geologischen Formationen zur Untertagespeicherung für eine 100%ige Energieversorgung aus erneuerbaren Quellen wahrscheinlich nicht ausreichend insbesondere außerhalb Deutschlands Vorrausschauende Raumplanung für die konkurrierende Nutzung geologischer Formationen wünschenswert