Die Rolle der Mikrobiologie bei der Erforschung und Nutzung von natürlichem Wasserstoff

Natürlichen Wasserstoff verstehen  

Natürlicher Wasserstoff, oft auch als weißer oder geologischer Wasserstoff bezeichnet, ist molekularer Wasserstoff (H₂), der auf natürliche Weise in der Erdkruste entsteht. Im Gegensatz zu industriellem Wasserstoff, der durch Wasserelektrolyse oder Reformierung fossilerBrennstoffe hergestellt werden muss, entsteht natürlicher Wasserstoff unterirdisch durch geologische Prozesse wie Wasser-Gesteins-Reaktionen und Gasmigration aus dem Erdmantel. Er kann sich durch poröse Gesteinsformationen bewegen, sich in unterirdischen Fallen ansammeln und in machen Fällen über natürliche Diffusionsstellen an die Erdoberfläche gelangen.  

Während sich die Aufmerksamkeit zunächst auf vereinzelte Entdeckungen im Ausland konzentrierte, hat sich die Exploration nun auch in Europa beschleunigt. In Frankreich laufen derzeit verschiedene Explorationskampagnen, unter anderem im Lothringer Becken, wo Unternehmen wie La Française de l'Énergie mit Bohrprogrammen versuchen, potenziell bedeutende Wasserstoffvorkommen zu quantifizieren. Geologische Untersuchungen deuten darauf hin, dass Teile Nordostfrankreichs große unterirdische Wasserstoffvorkommenbeherbergen könnten, wodurch sich das Konzept von einer wissenschaftlichen Kuriosität zu einer wirtschaftlichen, neuen Energiequelle wandelt.  

Natürlicher Wasserstoff stellt ein grundlegend anderes Energiekonzept dar: Anstatt Wasserstoff herzustellen, könnte es möglich sein, ihn direkt aus geologischen Systemen zu gewinnen.  

Und das Potenzial ist enorm. Erste geologische Untersuchungen lassen auf Mengen schließen, die um ein Vielfaches über dem heutigen weltweiten Wasserstoffbedarf liegen. Sollte sich eine skalierbare Produktion bestätigen, würde natürlicher Wasserstoff nicht nur zurDekarbonisierung einer Branche beitragen, sondern könnte auch den Grundstein für eine neue Ära nachhaltiger, kohlenstoffarmer Energie legen.  

(Blay-Roger et al 2024, https://doi.org/10.1016/j.rser.2023.113888.) 

Warum natürlicher Wasserstoff Aufmerksamkeit erregt   

Wasserstoff spielt eine zentrale Rolle in Dekarbonisierungsstrategien, insbesondere in Sektoren, die nur schwer oder in manchen Fällen fast gar nicht direkt elektrifiziert werden können. Die Stahlindustrie ist ein Paradebeispiel dafür: Der Ersatz von kohlebasierten Hochöfen durchwasserstoffbasierte Direktreduktion erfordert große, kontinuierliche Mengen an erschwinglichem Wasserstoff im industriellen Maßstab. Ohne reichlich vorhandenen, kostengünstigen Wasserstoff bleibt eine tiefgreifende Dekarbonisierung in der Schwerindustrie strukturelleingeschränkt.   

Natürlicher Wasserstoff erregt Aufmerksamkeit, weil er mehrere strategische Vorteile bieten kann.  

1.  In einigen geologischen Umgebungen scheint Wasserstoff über lange Zeiträume hinweg kontinuierlich erzeugt zu werden. Dies lässt die Möglichkeit offen, dass bestimmte Vorkommen eher als dynamisch aufgefüllte Systeme, als als streng begrenzte Ressourcen fungierenkönnten.  

2. Als primäre geologische Ressource würde natürlicher Wasserstoff keine energieintensiven Produktionsprozesse erfordern. Wenn er in großem Maßstab gewonnen werden könnte, würde dies den CO₂-Fußabdruck der Wasserstoffversorgung drastisch verringern.  

3. Wasserstoff hat einzigartige physikalische Eigenschaften. Es ist das kleinste und leichteste Molekül, diffundiert schnell und speichert viel Energie pro Masseneinheit. Diese Eigenschaften beeinflussen, wie es unterirdisch wandert und wie es in Infrastruktursystemengehandhabt werden muss. 

4. Wasserstoff ist nicht nur ein Brennstoff für die Industrie, sondern auch ein Energieträger für unterirdisches mikrobielles Leben.

Was jedoch wirklich Aufmerksamkeit erregt, ist der Umfang. Geologische Untersuchungen legen nahe, dass die Wasserstoffproduktion in der Erdkruste weltweit Milliarden, möglicherweise sogar Billionen Tonnen betragen könnte. Selbst ein kleiner Teil davon würde den heutigenWasserstoffmarkt in den Schatten stellen. 

Natürlicher Wasserstoff gewinnt an Bedeutung, weil das Ressourcenpotenzial enorm ist. 

Geologische Systeme, die Wasserstoff erzeugen   

Natürlicher Wasserstoff entsteht durch großräumige Wechselwirkungen zwischen Wasser und Gestein sowie durch langfristige geologische Prozesse. Der wichtigste Mechanismus ist die Serpentinisierung, bei der ultramafische, eisenreiche Gesteine mit Wasser reagieren, Serpentinmineralien bilden und Wasserstoff freisetzen. Diese Reaktion kann Millionen von Jahren andauern, wenn reaktive Gesteine zirkulierenden Flüssigkeiten ausgesetzt sind.  

Wasserstoff kann auch durch Eisenoxidation in mafischen Gesteinen und durch Radiolyse entstehen, bei der der natürliche radioaktive Zerfall in kristallinen Grundgesteinen Wassermoleküle in Wasserstoff und Oxidationsmittel spaltet. 

Tektonische Aktivitäten spielen eine entscheidende Rolle. Verwerfungen und Bruchsysteme ermöglichen es Wasser, tief in reaktive Formationen einzudringen und bieten Wege für die Aufwärtswanderung von Wasserstoff. 

Damit Wasserstoff kommerziell relevant wird, müssen mehrere geologische Faktoren zusammenkommen: 

• Ein reaktives Muttergestein, das in der Lage ist, nachhaltig Wasserstoff zu erzeugen 

• Aktive Flüssigkeitszirkulation 

• Durchlässige Wege, die die Wanderung von Wasserstoff ermöglichen 

• Geologische Bedingungen, die entweder ein schnelles Entweichen begrenzen oder eine kontinuierliche Wiederauffüllung ermöglichen  

  
  

Im Gegensatz zu Methan benötigt Wasserstoff nicht unbedingt ein großes, herkömmliches poröses Reservoir, um sich anzureichern. In einigen Umgebungen kann die Produktion dynamisch wiederaufgefüllte Systeme anzapfen, in denen Wasserstoff kontinuierlich erzeugt wird und durch Bruchnetzwerke fließt, anstatt in einer statischen Falle gespeichert zu werden. 

Da Wasserstoffmoleküle extrem klein, hochdiffusiv und biologisch reaktiv sind, ist das Verständnis der Migrationsdynamik, der Verlustmechanismen und der Wiederauffüllungsraten für die Exploration von zentraler Bedeutung. 

Die wichtigsten Quellen für H₂ basierend auf geologischen Vorkommen (Wang et al., 2023, Klein et al., 2013). 

Wasserstoff und die tiefe Biosphäre  

Wasserstoff ist eine wichtige Energiequelle für Mikroorganismen, die tief unter der Erde leben. Ganze mikrobielle Ökosysteme sind in Umgebungen ohne Sonnenlicht oder Sauerstoff auf Wasserstoff als Energieträger angewiesen.  

Mikrobielle Gemeinschaften in wasserstoffreichen Systemen können:  

• Wasserstoff verbrauchen  

• Methan, Acetat oder Schwefelwasserstoff produzieren  

• Biofilme und syntrophische Gemeinschaften bilden  

• chemischen Bedingungen des Reservoirs verändern 

  
  

Aus ressourcentechnischer Sicht kann mikrobielle Aktivität die förderbaren Wasserstoffmengen reduzieren oder die Gaszusammensetzung verändern. Aus wissenschaftlicher Sicht bieten diese Ökosysteme Einblicke in das Leben in extremen Umgebungen und die Verbindungzwischen Geologie und Biologie. 

Die Bewertung natürlicher Wasserstoffreservoirs erfordert daher nicht nur eine geologische Bewertung, sondern auch geomikrobiologisches Verständnis. 

Mikrobiologie und Wasserstoffinfrastruktur  

Die Mikrobiologie verliert auch nach der Gewinnung von Wasserstoff nicht an Bedeutung. Sie spielt weiterhin eine Rolle in Pipelines, Speicheranlagen und unterirdischen Speicherstätten.

Wasserstoff kann die Wachstumsbedingungen von Mikroorganismen beeinflussen, indem er die Redoxbedingungen verändert und bestimmten Organismen als Energiequelle dient. In Infrastruktursystemen kann dies zu mehreren Herausforderungen führen.  

Ein großes Problem ist die mikrobiologisch beeinflusste Korrosion (MIC). Bestimmte Mikroben können Biofilme auf Metalloberflächen bilden und korrosive Nebenprodukte produzieren. Dies kann den Materialabbau beschleunigen, die Lebensdauer von Pipelines verkürzen und die Wartungskosten erhöhen. In einigen Fällen kann die Bildung von Schwefelwasserstoff zusätzliche Sicherheits- und Integritätsrisiken mit sich bringen.  

Die unterirdische Wasserstoffspeicherung, beispielsweise in Salzkavernen oder erschöpften Gasfeldern, bringt weitere Überlegungen mit sich. Mikroorganismen, die in unterirdischen Formationen vorhanden sind, können den gespeicherten Wasserstoff verbrauchen oder seine Zusammensetzung verändern. Das Ausmaß des Risikos hängt stark von den Standortbedingungen wie Salzgehalt, Temperatur, Nährstoffverfügbarkeit und vorhandenen Mikroorganismenpopulationen ab.  

Gleichzeitig ermöglicht das Verständnis des Verhaltens von Mikroorganismen bessere Überwachungsstrategien, gezielte Maßnahmen zur Risikominderung und eine fundierte Standortwahl. 

Chancen und Herausforderungen für die Zukunft  

Natürlicher Wasserstoff hat das Potenzial, zu einer ergänzenden Säule der Wasserstoffwirtschaft zu werden. Seine Attraktivität liegt in seinem geologischen Ursprung, seiner möglichen langfristigen Erzeugung und seiner Kompatibilität mit dem vorhandenen Fachwissen des Öl- und Gassektors im Bereich der Untergrundtechnik.  

Seine Entwicklung ist jedoch mit Unsicherheiten behaftet:  

• Die Explorationsmodelle befinden sich noch in der Entwicklung  

• Die Rückhalteeffizienz ist nach wie vor schwer vorherzusagen  

• Mikrobielle Prozesse können sowohl die Lagerstätten als auch die Speichersysteme beeinflussen 

• Die Infrastruktur muss den kombinierten Risiken von Korrosion und wasserstoffspezifischen Materialherausforderungen Rechnung tragen 

  
  

Natürlicher Wasserstoff ist daher nicht einfach nur eine weitere Gasressource. Er stellt eine multidisziplinäre Herausforderung dar, die die Integration von Geologie, Geomikrobiologie, Lagerstättentechnik und industrieller Mikrobiologie erfordert. 

Wenn diese Dimensionen verstanden und effektiv gemanagt werden, könnte natürlicher Wasserstoff eine bedeutende und kohlenstoffarme Ergänzung des zukünftigen globalen Energiesystems darstellen.