Bereit für den H2-Hochlauf – Praxisbericht aus dem Projekt H2CAST Etzel
Der folgende Praxisbericht zum Verbundprojekt „H2CAST Etzel“ gibt einen Überblick, wie die Verbundprojektpartner, mittelständische Unternehmen, Forschungseinrichtungen, die staatseigene niederländische Gasunie und STORAG ETZEL das Speicherprojekt mit einem Invest von rund 50 Mio. Euro vorantreiben und welche Herausforderungen noch zu bewältigen sind.
Das Konsortium bei H2CAST will den Standort Etzel H2-ready machen, um als Teil der Energieinfrastruktur mit der Pipelineanbindung ans Wasserstoff-Kernnetz bereit zu sein.
Der Norden von Deutschland ist führend in der Untergrundspeicherung für Erdgas und Erdöl. Bereits heute kann ein Viertel des deutschen Erdgas-Jahresverbrauchs im Untergrund gespeichert werden. Damit ist Deutschland in Europa mit Abstand Spitzenreiter. Salzkavernen – in unterirdischen Salzstöcken ausgespülte, mehrere hunderttausend Kubikmeter große Hohlräume in über 1.000 m Tiefe – sind besonders gut geeignet, da sie „auf Abruf“ innerhalb von Minuten hohe Ein- und Ausspeicherleistungen ermöglichen.
In einer einzigen Kaverne in Etzel können ungefähr 100 Mio. Normkubikmeter Erdgas gespeichert werden. Das entspricht einer Größenordnung von einer Terawattstunde Energie oder einem Jahresverbrauch von ca. 80.000 Haushalten. Ein Teil der Öl- und Erdgasspeicher soll künftig, neben einem Neubau, für ein weitgehend dekarbonisiertes Energiesystem für die Speicherung von Wasserstoff umgerüstet werden. Das geht schneller und ist kostengünstiger als der Neubau von Speichern.
Gegenstand des Projekts H2CAST ist die Umrüstung von zwei Kavernen für die Speicherung von Wasserstoff (H2) mit allen dafür zu ermittelnden Anforderungen, Auslegungsgrößen und Betriebsparametern. Zu diesen Arbeiten gehörte die Errichtung einer Sole-Pendel-Anlage, mittels derer der mit H2 gefüllte Speicherhohlraum in der Kaverne durch Veränderung des Solespiegels flexibel angepasst werden kann. Das Projekt umfasst die Anbindung an eine zu errichtende Obertagetestanlage für das Ein- und Auslagern, die Gasreinigung und Qualitätsüberwachung von H2. Die „Zusammenschaltung“ von zwei Kavernen ermöglicht einen Speichertestbetrieb, ohne dass bereits eine Pipelineanbindung an den Speicher besteht. Zudem ist H2CAST hierdurch unabhängig von anderen Marktteilnehmern und dem Hochlauf einer Wasserstoffwirtschaft.
Die avisierten Projektmeilensteine wurden bislang weitestgehend plangemäß erreicht, die beiden Kavernen wurden auf Wasserstoff umgerüstet und werden derzeit mit Wasserstoff im Dachbereich befüllt.
Projektbericht H2CAST Etzel
Genehmigungssituation im Februar 2022
Mit Projektstart von H2CAST war ein bergrechtliches Genehmigungsverfahren erforderlich. Zu diesem Zeitpunkt handelte es sich um das erste Verfahren dieser Art für die Umrüstung von Kavernen zur H2-Speicherung. Untergrundspeicher unterliegen in Deutschland dem Bergrecht. Für Niedersachsen ist das Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie (LBEG) die zuständige Behörde.
Da für die bestehenden Kavernen bereits die für einen Erdgasspeicherbetrieb notwendigen Genehmigungen vorlagen, wurde im Rahmen einer Vorprüfung festgestellt, dass für H2CAST keine Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP) erforderlich wurde, sondern ein sogenannter fakultativer Rahmenbetriebsplan als Grundlage für weitere Einzelgenehmigungen vorzulegen war. Aufgrund einer zwischenzeitlichen Änderung der UVPBergbau und interpretierbarer rechtlicher Regelungen wird jedoch für eine
zukünftige großflächige Umrüstung von Kavernen am Standort Etzel ein mehrjähriges Planfeststellungsverfahren mit UVP und Öffentlichkeitsbeteiligung durchgeführt, um für die Wasserstoffspeicherung die erforderliche Rechtssicherheit für langfristige Investitionen zu schaffen.
Wasserstoffkavernen unterliegen im Unterschied zu Anlagen des EnWG, zu denen z. B. Gastransportleitungen zählen, dem Störfallrecht (12. BImSchV). Daher ist nachzuweisen, dass in einem Dennoch-Störfall, d. h. bei Versagen aller Sicherheits- und Barrieresysteme im Falle eines äußeren Ereignisses keine Einwirkungsbereiche auf die zu betrachtenden Schutzgüter auftreten können bzw. bereits vorhandene Einwirkungsbereiche sich nicht vergrößern.
Durch die in den zurückliegenden Jahren in einem intensiven Austausch mit Betreibern, Prüforganisationen, Sachverständigen und Behörden gewonnenen Erkenntnisse und Weiterentwicklung der Berechnungsgrundlagen sowie durch die Definition des zugrunde liegenden Szenario-Rahmens besteht inzwischen weitgehend Klarheit über die Methodik und die Einwirkungsbereiche zur Ermittlung des angemessenen Sicherheitsabstandes.
Für H2CAST wurde nachgewiesen, dass bestehende Abstände zu benachbarten Schutzobjekten nicht unterschritten werden. Die im Rahmen der Untersuchungen ermittelten Ergebnisse wurden mit denen vorangegangener Prognosen der Auswirkungen von hypothetischen Störfällen mit Freisetzung von Erdgas in Beziehung gesetzt und hinsichtlich der ermittelten Resultate verglichen. Im Ergebnis ist festzustellen, dass potenzielle Auswirkungen von Wasserstoffkavernen mit Erdgasspeichern vergleichbar sind.
Nach Vorlage der Genehmigungen wurde im Herbst 2023 mit den Arbeiten zur Umrüstung von zwei bestehenden, teilentwickelten Kavernen, welche ursprünglich für die Speicherung von Erdgas vorgesehen waren, begonnen. Innerhalb von wenigen Wochen wurden nach vorangegangenen Tests und Planungen die sogenannten Komplettierungen, d. h. Abdichtungssysteme, Förderrohrtouren, Sicherheitseinrichtungen und die Kavernenköpfe ein- bzw. aufgebaut.
Zum praktischen Nachweis der Eignung unter Betriebsbedingungen wurden Bauteile verwendet, die zuvor über mehrere Jahre in einer Erdgaskaverne eingebaut waren und nun für den Wasserstoffeinsatz unter Betriebsbedingungen getestet werden. Zuvor wurden die Werkstoffe in einem Prüflabor untersucht.
Herausforderung: Beschaffung Wasserstoff / Ablauf Befüllung
Die Befüllung der Testkaverne mit H2 und der entsprechende Beschaffungsprozess für das Forschungsprojekt H2CAST Etzel verdeutlicht den frühen Entwicklungsstand des deutschen Markts. Für den Testbetrieb wurden insgesamt 89.000 kg (1.000.000 Nm³) Wasserstoff beschafft und bereits größtenteils per Trailer angeliefert.
Im Zuge der Wasserstoffeinspeicherung in die mit Sole gefüllten Kavernen wird die Sole aus über 1.000 m Tiefe durch einen inneren Rohrstrang zutage gefördert und über das bestehende Leitungssystem abgeleitet. Der für die Erstbefüllung erforderliche Wasserstoffdruck beträgt aufgrund des hydrostatischen Gegendruckes der Sole (Dichteunterschied Sole zu Wasserstoff) ca. 130 bar, wodurch die Wasserstofftrailer nicht vollständig entleert werden konnten und dementsprechend ein möglichst hoher Anlieferdruck erforderlich war. Zu Beginn der Befüllung im Jahr 2023 standen Hochdrucktrailer bzw. Abfüllstationen (> 200 bar) nur sehr begrenzt zur Verfügung. Dies führte zusammen mit der fehlenden lokalen Produktion – einzelne Lieferungen erfolgten über Distanzen von bis zu 1.000 km – zu einem hohen Anteil der Wasserstoffkosten.
Gleichzeitig entwickelte sich der Markt sehr dynamisch, sodass über den Projektzeitraum ein H2-Produzent in der näheren Umgebung gewonnen werden konnte und die Logistikkosten und die Wasserstoffproduktionskosten deutlich gesenkt werden konnten. Aufgrund der unterschiedlichen Ausrüstungsstandards bei den Trailern war der Bau einer Übergabestation notwendig, die den direkten Anschluss der Hochdrucktrailer (350 bar) an den Kavernenkopf ermöglichte. In 2025 wurden so bislang 90 Prozent der vorgesehenen Wasserstoffmenge mit bis zu zwei Trailern pro Tag sicher angeliefert. Das Handling vor Ort verlief professionell und unspektakulär. Für den Umschlag
werden zwei bis drei Stunden pro Trailer benötigt.
Die Befüllung von Kavernen mittels TKW bleibt trotz der hier entwickelten Lösungen aufwendig und auf den Projektmaßstab beschränkt; für die vollständige Befüllung einer Wasserstoffkaverne wären tausende Trailerladungen erforderlich. Für die Zielerreichung von H2CAST reichen weniger als 200 davon aus. Dies ist möglich, da
die Wasserstoffbefüllung/Soleauslagerung nur im Dachbereich der beiden Kavernen erfolgen muss. Der Wasserstoff kann zwischen den beiden Kavernen umgelagert werden. Die Konfiguration ermöglicht es zudem, dass nur so viel Sole zutage gefördert wird, wie H2-Arbeitsgasvolumen für die Tests benötigt wird. Der Prozess ist zudem reversibel, d. h. mittels Sole, welche aus anderen Kavernen produziert wird, kann der Wasserstoff in der Kaverne verdrängt werden. Hierdurch wird ein variables und skalierbares Arbeitsgasvolumen für die Wasserstoffspeicherung geschaffen.
Für einen gaswirtschaftlichen Betrieb eines Untergrundspeichers ist die Piplineanbindung an das Transportnetz unverzichtbar. Ein solcher Anschluss des Standortes Etzel an das in 2025 genehmigte H2-Kernnetz ist vorgesehen. Zudem ist es vor dem Beginn eines gaswirtschaftlichen Speicherbetriebes notwendig, die gesamte vorgesehene Speichermenge der Kaverne mit Wasserstoff zu befüllen (Kissengas & Arbeitsgas), sodass der innenliegende Soleförderstrang ausgeschleust werden kann. Für den Testbetrieb in Etzel ist dieses aufgrund der besonderen Konstellation zunächst nicht notwendig und erfolgt daher in einem späteren Projektabschnitt.
Nachweis Trag- und Dichtheitsverhalten Salzgestein
Am Lehrstuhl für Geomechanik und multiphysikalische Systeme der Technischen Universität (TU) Clausthal werden das Trag- und Dichtheitsverhalten der beiden Testkavernen numerisch simuliert und im Labor untersucht.
Im Fokus stehen die Dichtheit des umgebenden Steinsalzgebirges sowie der Ringraumzementation der Kavernenzugangsbohrung gegenüber H2.
Hierfür wurde im geomechanischen Labor des Lehrstuhls eine neuartige Triaxialversuchsanlage (Abb. 4) aufgebaut, mit der Durchströmungsversuche an zylindrischen Salz-, Zement- und Salz-Zement-Verbundprüfkörpern mit Testgasen sehr kleiner Molekül- bzw. Atomdurchmesser durchgeführt werden können. Wegen des noch geringeren Atomdurchmessers wird für die Durchströmungsversuche anstelle von H2 Helium als Gas eingesetzt. Eine besondere Herausforderung besteht darin, die mit zahlreichen Sensoren und Ventilen ausgestattete Versuchsanlage dauerhaft heliumdicht auszulegen.
Materialeignung Bohrungsausrüstung
Zur Sicherstellung der Gasdichtheit des Casing-Zement-Salz-Verbundes wurden insgesamt vier Gasdichtheitstests mit Stickstoff sowie Wasserstoff durchgeführt und die Kavernen unter Anwendung des gleichen strengen Dichtheitskriteriums von 50 l/d wie für Untergrundspeicher für Erdgas als technisch gasdicht bewertet. Bestandteil des Tests war auch der Nachweis, dass das Testmedium Stickstoff anwendbar ist für H2-Speicherkavernen.
Nach erfolgtem Dichtheitstest wurde im Zuge der Druckentlastung der Bohrung zu Schulungszwecken von operativen Abläufen und zur Erprobung der Sicherheitstechnik Wasserstoff der Kaverne kontrolliert gezündet und abgebrannt. Der Versuch für eine Selbstentzündung von Wasserstoff verlief erfolglos.
Vor Beginn der Realisierung wurden Untersuchungen unter Wasserstoffbeeinflussung an relevanten metallischen Werkstoffen der Bohrungskomplettierungen durchgeführt. Proben wurden sowohl aus den Grundwerkstoffen als auch Schweißnähten mit unterschiedlichen Werkstoffpaaren entnommen (Tabelle 1). Die Proben wurden für 21 Tage bei 275 bar und 150 °C Druckwasserstoff beladen. Anschließend erfolgten Wasserstoffanalysen und die Ermittlung der Wasserstoffaufnahme sowie mechanische Prüfungen zur Quantifizierung des Einflusses der Wasserstoffbeladung auf die mechanischen Kennwerte. Alle Stahlwerkstoffe zeigten keine oder nur geringe Effekte durch die Wasserstoffbeladung. Einige Werkstoffe wiesen im beladenen Zustand eine reduzierte Streckgrenze auf. Eine Legierung zeigte sich für den Kontakt zu Wasserstoff als nicht geeignet. Im Rahmen von H2CAST wurden vorrangig Bauteile der sicherheitsrelevanten Barrieresysteme betrachtet.
Wartung und Prüfungen gemäß aktueller Integritätsstandards
Die ursprünglich für die Erdgasspeicherung entwickelten Kavernen wurden hinsichtlich ihrer Eignung zur H2-Speicherung unter besonderer Berücksichtigung der Speicherintegrität des untertägigen Gesamtsystems überprüft.
Hierzu wurde der Status quo über die integrierte Zustandserfassung und Bewertung der Bohrungsausrüstung auf Basis verfügbarer Dokumentation zu Geologie, Gebirgsmechanik, Komplettierung, Drucktesten und Soltechnik sowie neu durchgeführter Messungen und Tests bewertet und letztlich die Gesamtsystemintegrität festgestellt.
H2-Reinigung/Obertageanlage
Die Obertagetestanlage wurde durch Gasunie entwickelt, um die Effizienz und Betriebssicherheit verschiedener Technologien zur Entfernung von Verunreinigungen
aus dem Speichergas zu testen. Die Hauptkomponenten wurden bereits fertiggestellt und in Etzel Ende Dezember 2025 angeliefert. In den kommenden Wochen erfolgt der Zusammenschluss der Komponenten. Die Inbetriebnahme ist für das Frühjahr 2026 geplant.
Die Anlage kann Wasserstoff über Aktivkohlefilter, Temperature-Swing-Adsorption (TSA) und Triethylenglykol-(TEG)-Einheiten leiten, wobei Prozessschritte umgangen werden können. Online-Messpunkte nach jeder Reinigungsstufe überwachen die Wasserstoffqualität. Die Technologien selbst sind nicht neu, ihre Anwendung in einem Setup mit vormals mit Rohöl beaufschlagen Kavernen jedoch innovativ.
Es wurde ein Skid-montiertes Konzept gewählt, das zukünftige alternative Konfigurationen ermöglicht. Die Möglichkeit, mehrere Reinigungstechniken zu testen und in verschiedenen Kombinationen einzusetzen, erhöht die Komplexität der Anlage. Obwohl für H2CAST nur eine Pilotanlage mit relativ geringer Kapazität eingesetzt wird, handelt es sich um die erste H2-Speicheranlage dieser Art. Daher wurde besonderes Augenmerk auf die Sicherheit in Konstruktion und Ausführung gelegt. Die Philosophie dabei ist, dass Pilotanlagen denselben Sicherheitsanforderungen und Standards wie Produktionsanlagen entsprechen müssen.
International anerkannte Designcodes bildeten die Grundlage für die Anlage, und Gasunie verpflichtete sich, die allgemeingültigen DVGW-Standards einzuhalten. Zum Zeitpunkt der Konstruktion existierten jedoch keine Standards für „nasses“ Wasserstoffgas, daher wurde zusätzlich ein Korrosionsmessprogramm implementiert, um eventuelle Auswirkungen auf das Materialverhalten infolge eines intensiven Betriebes unter hohen Lastzyklen über Laboruntersuchungen hinaus bewerten zu können. Die Umsetzung dieses Programms liefert wertvolle Erkenntnisse zum Materialverhalten unter Bedingungen mit nassem H2 und wird zukünftige Anlagen weiter verbessern.
Viele Herausforderungen in der Anlagenauslegung und ihrer Errichtung wurden bewältigt, und die gewonnenen Erkenntnisse gehören zu den wichtigsten Ergebnissen. Dieses Projekt kann als nächster Schritt zur Realisierung eines zukünftigen Energiesystems betrachtet werden. Seine Ergebnisse dienen als Grundlage für die Weiterentwicklung und schaffen Vertrauen in eine H2-Zukunft.
Systemintegration Gasnetz/Stromnetz
Das Forschungszentrum DLR hat ein dynamisches Gasnetz- und Kavernenmodell entwickelt, um die zukünftige Netzintegration der H2-Kavernen nachzubilden. Die Anlage in Etzel wird dabei zur Modell-Validierung genutzt, und um simulativ betrachtete Betriebsstrategien im Realbetrieb hinsichtlich Effizienz und Umsetzbarkeit zu erproben. Zu Beginn des Markthochlaufs der Wasserstoffwirtschaft wird mit einer industriegetriebenen und daher vergleichsweise konstanten H2-Nachfrage gerechnet,
welche sich in den Folgejahren zu einer hoch-flexiblen Nutzung – sowohl im Tagesverlauf als auch saisonal – entwickeln wird.
Die großskalige Untertagespeicherung von H2 schafft den notwendigen Puffer in der Energiebereitstellung und erlaubt die umfassende Nutzung volatiler erneuerbarer Energien (Abb. 8). Die Kavernen ermöglichen die Aufrechterhaltung eines ausgeglichenen Druckniveaus im Gasnetz und sichern die Stabilität des Stromnetzes durch die Versorgung der Kraftwerke zur H2-Rückverstromung.
Sie sind daher als ein entscheidender Faktor für die Resilienz des gesamten Strom- und Gassystems einzustufen.
Resümee
- H2CAST ist ein technischer Beitrag für die Untergrundspeicherung von Wasserstoff. Für die Untertageanlage, d. h. Geologie und Eignung des Salzgesteins, Bohrungsintegrität, Eignung und Dichtheit der Bohrungskomplettierungen und den Betrieb der bis zum maximalen Druck gefüllten Kavernen, konnten in den zurückliegenden Jahren bereits wertvolle Erfahrungen erlangt werden, die den Rückschluss zulassen, dass eine weitestgehende Vergleichbarkeit mit der Speicherung von Erdgas gegeben ist und die bestehenden Kavernen für die Speicherung von Wasserstoff geeignet sind.
- Besonderes Augenmerk liegt nun auf dem Betrieb der obertägigen Anlagen zur Gasaufbereitung, Verdichtung und der Gasqualitätsüberwachung, welche für Wasserstoff neu zu errichten sind.
- Die Genehmigungsverfahren für die Untergrundspeicherung von Wasserstoff sind in weiten Teilen geklärt. Rechtliche Unsicherheiten bestehen jedoch hinsichtlich der Übertragbarkeit von bereits bestehenden Zulassungen. Hier ist der Gesetzgeber gefragt, um für Klarheit zu sorgen.
- Bemerkenswert ist das Interesse der Bevölkerung. Durch eine intensive Öffentlichkeitsarbeit und Transparenz und auch vor dem Hintergrund der geopolitischen Entwicklungen ist eine Versachlichung der Diskussion eingetreten.
- Die „wirklichen“ Herausforderungen eines Speicherhochlaufs liegen in den Kosten und der Wirtschaftlichkeitslücke zu anderen Energieträgern: Eine verbindliche Speicherstrategie macht Investitionsentscheidungen der Speicherbetreiber erst möglich. Die Schaffung eines Marktrahmens und entsprechender Finanzierungsinstrumente sind notwendig, um die Bereitschaft für Investitionen durch den Kapitalmarkt zu ermöglichen. Dazu zählen insbesondere die Schaffung eines Wasserstoffangebots durch Förderung der heimischen Produktion und der Import von Derivaten und natürlich
die Anbindung der Speicher an das H2-Kernnetz. - Deutschland hat die besten Voraussetzungen für Untergrundspeicher.