Die H2-Kaverne mit den dazugehörigen ober- und untertägigen Anlagen stellt die Grundlage für die Wertschöpfung im Rahmen der H2-Speicherung dar. Das zu entwickelnde Design der unter– und obertägigen Speicheranlagen und die Sicherheitseinrichtungen wurden auf die wirtschaftlichen und sicherheitstechnischen Belange der H2-Speicherung abgestellt. Entsprechend leiten sich wirtschaftliche Effekte aus der Identifikation realistischer Marktmodelle und der eindeutigen Definition der obertägigen Anlagenkonfiguration sowie der Bestimmung der dazugehörigen Parameter ab. Ein Kostenminimierungspotenzial besteht vor allem auch in der Ermittlung realistischer Betriebsszenarien zum zeitlichen sowie volumetrischen H2 Mengengerüst aus der sich relevante Betriebsregime ableiten.
Die Entwicklung von Designspezifikation der wesentlichen obertägigen Hauptkomponenten erfolgten auf der Basis von Modellierungen zum gesamten Betriebsprozess der Obertageanlage. Die einzelnen Komponenten wurden so hinsichtlich ihres Zusammenspiels bewertet und bei Bedarf im Rahmen der Machbarkeit modifiziert. Diese numerischen Modellierungen führen zu Kostenersparnissen insbesondere durch Reduzierung der Anzahl aufwändiger Feldexperimente und können in 3D-Visualisierungen ausgewertet werden.
Die Ergebnisse können in die Optimierung des Speicherbetriebes einbezogen werden und damit einen Beitrag zur gesamtheitlichen Beurteilung der Rahmenbedingungen für eine nachhaltige Untergrundspeicherung von H2 leisten.
Die Identifikation der prozessbezogen Risiken des Speicherbetriebes für einen Wasserstoffspeicher konzentrierten sich auf Sicherheitsbetrachtungen zum obertägigen Anlagenbestand für Normalbetrieb und Dennoch-Störfälle. Die sich daraus ableitenden Sicherheitsanforderungen wurden beschrieben und durch entsprechende Maßnahmen umgesetzt. Die erzielten Ergebnisse wurden in die Entwicklung eines beispielhaften Genehmigungsprozesses integriert.
Wesentliche Ergebnisse (Auswahl)
Aus den Ergebnissen der Literaturanalyse und der Stakeholder-Befragung lässt sich ein kontinuierlicher Hochlauf des H2-Marktvolumen ablesen. Bis spätestens 2050 wird ein H2-Speicherbedarf erwartet, der mit den heutigen Erdgasspeichern vergleichbar ist – wenn es auch erhebliche Unsicherheiten zum zeitlichen Verlauf der Entwicklung gibt. Es erscheint plausibel, dass in den ersten Wasserstoff-Verbrauchszentren bereits in den nächsten Jahren der Bedarf für H2-Speicher bestehen wird.
Es kann davon ausgegangen werden, dass kleinere Kavernen in eher kürzeren Zyklen betrieben werden können (z. B. Wochenzyklen), während bei größeren Kavernen eher mit jährlichen oder halbjährlichen Zyklen zu rechnen ist, welche durch kurzfristige Fluktuationen überlagert werden. Dieser Überlagerungsanteil wird voraussichtlich stärker ausgeprägt sein, als dies bei den aktuellen Erdgasspeichern der Fall ist.
Je nach der Ausgangsituation einer Bohrung sind geeignete Komplettierungskonzepte unter Einhaltung des Zwei-Barrien-Konzepts zu entwickeln. Für Bestandsbohrungen ist im Vorfeld zu prüfen, ob die Anforderungen nach BVEG-Leitfaden „Bohrungsintegrität“ eingehalten werden bzw. durch entsprechende Rekomplettierung erreicht werden können. Die Eignung der eingesetzten Rohrwerkstoffe für die geplante H2-Anwendung ist vor Einsatz zu erbringen. Unter Berücksichtigung des thermodynamischen Verhaltens von Wasserstoff ist die axiale Spannungssituation von Förderrohrtouren zu minimieren. Auf Grund der derzeit geringen Erfahrungen zum Werkstoffeinsatz bei der untertägigen H2-Speicherung sollte die Spannungsauslastung der verwendeten Werkstoffe auf 30 % der Mindeststreckgrenze bzw. 20 % der Mindestzugfestigkeit begrenzt werden, wobei der kleinere der beiden Werte maßgeblich ist. Die Sicherheitsbeiwerte gemäß BVEG-Leitfaden „Futterrohrberechnung“ sind ggf. Anzupassen. Hinsichtlich einzusetzender Untertageausrüstungen sind für Wasserstoff geeignete Materialien zu verwenden. Sollten diese auf dem Markt nicht verfügbar sein, sollte u. U. eine Auslegung nach Sauergasstandard erfolgen. Die Festlegung dazu ist auf Basis der Ergebnisse aus mikrobiologischen Untersuchungen zu treffen, z. B. sollte im entsprechenden Anwendungsfall ein erhöhtes Potenzial zur H2S-Bildung vorhanden sein. Mögliche mikrobiologische Untersuchungen werden im Verbundvorhaben H2-UGS für verschiedenen Betriebsphasen benannt.
Das Design der Obertageanlage erfolgt weitgehend in Anlehnung an übliche Erdgasspeicherdesigns. Die jeweiligen Einzelkomponenten sind mit Blick auf die H2-spezifischen Betriebsanforderungen auszulegen und müssen für den Kontakt mit Wasserstoff geeignet sein. Im Bereich der obertägigen Installationen sind diese Komponenten grundsätzlich am Markt verfügbar. Mit Kapazitätsengpässen bei Anlagenbauern und angrenzenden Gewerken ist jedoch zu rechnen und entsprechende Vorlaufzeiten für eine Speicherrealisierung einzuplanen.
Die Sicherheitsbetrachtungen wurden in Analogie zum etablierten HAZOP-Verfahren durchgeführt. Hierbei wurden vereinzelt geringfügige Unterschiede in möglichen Ursache-Wirkungs-Ketten zur Erdgasspeicherung festgestellt. Diese Änderungen ergeben sich direkt aus den spezifischen Stoffeigenschaften des Wasserstoffs. Grundsätzlich hat sich die Anwendbarkeit des Verfahrens bestätigt, weshalb das HAZOP-Verfahren auch für die H2-Speicherung weiterhin empfohlen wird.
Projektbeteiligte
DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH
Karl-Heine-Straße 109/111
04229 Leipzig
