Natürlicher Wasserstoff und die Mikroben, die ihn verbrauchen

Im Jahr 1987 stieß ein in der Nähe von Bourakebougou in Mali gebohrter Brunnen statt auf Wasser auf Gas. Das Gas bestand fast ausschließlich aus Wasserstoff und treibt seit 2012 einen Generator an, der das Dorf mit Strom versorgt. Dabei kam weder Elektrolyse zum Einsatz, noch wurde erneuerbare Energie verbraucht. Der Wasserstoff entsteht direkt im Gestein.

Dieser Brunnen ist ein wesentlicher Grund dafür, dass natürlicher Wasserstoff, auch weißer oder geologischer Wasserstoff genannt, weltweit von einer geologischen Kuriosität zu einem Explorationsziel geworden ist. Wenn Wasserstoff auf die gleiche Weise wie Erdgas gefördert werden kann, sinken die Kosten pro Kilogramm deutlich unter das Niveau, das derzeit durch Elektrolyse erreicht wird. Was bei dieser Berechnung meist außer Acht gelassen wird, ist der Untergrund selbst. Er ist bewohnt, und Wasserstoff ist eine der besten Energiequellen, die ein Mikroorganismus finden kann.

Wie natürlicher Wasserstoff entsteht

Wasserstoff entsteht in der Erdkruste kontinuierlich durch geologische Prozesse. Am besten verstanden ist die Serpentinisierung, bei der Wasser in der Tiefe mit eisenreichem Gestein reagiert. Das Eisen oxidiert, und Wasserstoff wird als Gas freigesetzt. Die Radiolyse trägt ebenfalls zum Wasserstoffvorrat bei, indem sie Wassermoleküle durch Strahlung aus zerfallenden Elementen im Gestein spaltet. Ein Teil dieses Wasserstoffs wandert nach oben und sammelt sich unter einer Abdichtung an, ähnlich wie Erdgas.

Wasserstoff als Nahrungsquelle für Mikroorganismen

Wasserstoff ist ein starker Elektronendonor und fungiert in sauerstofffreien Umgebungen als eine Art universelle Währung. Ganze Gruppen von Mikroorganismen leben davon. Sie benötigen weder Licht noch organischen Kohlenstoff, und viele gedeihen gut bei den Temperaturen, Drücken und Salzgehalten, wie sie in tiefen Lagerstätten vorkommen.

Die für ein natürliches Wasserstoffsystem relevantesten Wasserstoffverbraucher sind:

• Sulfatreduzierende Bakterien und Archaea, die Wasserstoff mit Sulfat verbinden und dabei Schwefelwasserstoff freisetzen

• Methanogene Archaea, die Wasserstoff mit Kohlendioxid zu Methan verbinden

• Acetogene Bakterien, die aus denselben beiden Substraten Acetat produzieren

• Eisen- und Schwefelreduzierende Organismen, die Wasserstoff zusammen mit mineralischen Elektronenakzeptoren nutzen

Untersuchungen zur unterirdischen Wasserstoffspeicherung in porösen Formationen haben gezeigt, dass diese Reaktionen nicht nur theoretischer Natur sind. Es wurde beobachtet, dass injizierter Wasserstoff in Methan und Schwefelwasserstoff umgewandelt wird und sich das entnommene Gas in seiner Zusammensetzung von dem eingeleiteten unterscheidet. Ein natürliches Wasserstoffreservoir weist ähnliche Bedingungen auf, mit einem Unterschied: Die Wasserstoffversorgung besteht nicht aus einem endlichen injizierten Volumen, sondern aus einem System, das kontinuierlich Substrat liefert.

Beschreibung: Kultivierung anaerober Mikroorganismen in einer Anaerobenkammer. Die Proben dürfen während der gesamten Analyse nicht mit Luft in Kontakt kommen.

Kontamination während der Bohrung

Ein seit langer Zeit isoliertes Lagerstättenreservoir kann eine spärliche mikrobielle Gemeinschaft beherbergen, die eher durch Nährstoffe als durch Energie begrenzt ist. Die Bohrung ändert dies. Bohrflüssigkeiten, Additive, die Verrohrung und die Oberflächen der Bohrwerkzeuge transportieren Mikroorganismen von der Oberfläche in das Reservoir. Der Vorgang, der das Reservoir erschließt, kann es gleichzeitig besiedeln und mit Nährstoffen versorgen. 

Sobald sich hydrogenotrophe Organismen in einer wasserstoffreichen Formation bei einer geeigneten Temperatur etabliert haben, steht ihnen kaum noch etwas im Wege. Die mikrobiologische Ausgangslage muss daher vor und während der Bohrung erfasst werden und nicht erst, nachdem ein Problem mit der Gasqualität aufgetreten ist. Formationsflüssigkeiten, die auf dem Weg nach oben der Luft ausgesetzt oder druckentlastet werden, liefern ein verzerrtes Bild, da gerade die Organismen, die am wichtigsten sind, diesen Transport am wenigsten überleben können. Erst durch Hochdruckprobenahme und Kultivierung lässt sich eine Gemeinschaft charakterisieren, von der man sonst nur Fragmente sieht.

Ein Hochdruck-Probenbehälter im Einsatz bei einer Feldprobenahme. Der Behälter fängt Formationsflüssigkeit unter Lagerstättendruck auf und hält sie bis zur Ankunft im Labor luftdicht verschlossen.

Gasqualität und Korrosion

Der Verlust von Wasserstoff an Methanogene und Sulfatreduzierer ist das offensichtliche Problem. Es ist jedoch nicht das kostspieligste. Bei der Sulfatreduktion entsteht Schwefelwasserstoff, der das Gas sauer macht, einen zusätzlichen Reinigungsschritt erforderlich macht und ein Sicherheitsrisiko am Bohrlochkopf darstellt. Acetogene versauern die Wasserphase. Die Gaszusammensetzung weicht von den Spezifikationen ab, auf denen das Projekt basiert.

Die größeren Kosten entstehen durch den Stahl. Wasserstoffverwertende Organismen gehören zu den Hauptursachen für mikrobiologisch bedingte Korrosion. Sulfatreduzierer erzeugen Sulfid direkt an der Metalloberfläche innerhalb eines Biofilms, wo die lokalen chemischen Verhältnisse wenig mit der umgebenden Flüssigkeit zu tun haben; die Folge sind Lochfraß und sulfidinduzierte Spannungsrisse statt eines gleichmäßigen Wandverlusts. Methanogene werden mit der direkten Aufnahme von Elektronen von Eisenoberflächen in Verbindung gebracht. Organische Säuren aus Acetogenen greifen Beschichtungen und Zement an. Schäden dieser Art konzentrieren sich dort, wo die Strömung langsam ist und sich Wasser ansammelt: in Toträumen, Schweißnähten, Spalten und Abscheidebehältern.

Materialauswahl für die Wasserstoffinfrastruktur

„Wasserstoff ready” bedeutet in der Regel zweierlei: (i) Das Material muss dicht genug sein, um ein sehr kleines Molekül zurückzuhalten, und (ii) es muss gegen Wasserstoffversprödung beständig sein. Mikrobielle Korrosion ist eine dritte Anforderung, die sich nicht automatisch aus den ersten beiden ergibt. Eine Polymerebeschichtung, die das Permeationsproblem löst, kann eine gute Oberfläche für die Anhaftung von Biofilmen darstellen. Eine für den Einsatz mit Wasserstoff qualifizierte Stahlsorte kann unter einem sulfidbildenden Biofilm dennoch Lochfraß erleiden. Elastomerdichtungen und Bohrlochzemente können durch die Organismen und die von ihnen produzierten Säuren zersetzt werden.

Eine mikrobiologische Bewertung vor Baubeginn umfasst in der Regel:

• Grundlegende Probenahme von Formationsflüssigkeiten und, soweit möglich, von Kernmaterial

• Kultivierung und Identifizierung der tatsächlich vorhandenen wasserstoffverwertenden Organismen, nicht nur ihrer DNA-Signaturen

• Korrosionsprüfung von in Frage kommenden Werkstoffen gegenüber diesen Organismen unter realistischen Druck- und Temperaturbedingungen

• Ein Hygienekonzept für Bohrflüssigkeiten und Komplettierungsausrüstung

  
  

• Einen Überwachungsplan mit definierten Probenahmestellen und -intervallen für die Betriebsphase

  
  

Die Kultivierung spielt hier eine größere Rolle, als es auf den ersten Blick erscheinen mag. Die Sequenzierung zeigt, welche Organismen vorhanden sind. Sie zeigt jedoch nicht, welche davon aktiv sind, wie schnell sie wachsen oder wie sie sich gegenüber einer bestimmten Legierung verhalten. Erst die Isolierung anaerober Mikroorganismen aus einer echten Formationsprobe verleiht einem Korrosionstest Aussagekraft.

Blick in das Innere eines Stahlrohrs. An der oberen Wand sind hellgraue und dunkle Ablagerungen zu erkennen, während sich am Boden, wo sich Wasser sammelt und fließt, ein durchgehendes rostorangefarbenes Band entlangzieht. Es handelt sich hierbei um einen lokalen Korrosionsbefall an der Gasleitung und nicht um einen gleichmäßigen Wandverlust.

Mikrobiologie im Projektablauf

Die Mikrobiologie kommt bei einem Wasserstoffprojekt in der Regel erst dann ins Spiel, wenn bereits etwas schiefgelaufen ist: nach sulfidhaltigem Geruch, einem unerklärlichen Druckabfall oder einer nicht bestandenen Inspektion einer Leitung, die eigentlich jahrzehntelang halten sollte. Zu diesem Zeitpunkt sind die Optionen begrenzt und kostspielig. Wird dieses Fachwissen bereits in der Explorationsphase und bei der detaillierten Planung einbezogen, eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten, da die Materialauswahl, die Spezifikationen der Bohrflüssigkeiten und die Überwachungspunkte noch offen sind.

Microbify unterstützt Projekte zur Gewinnung von natürlichem Wasserstoff durch sterile, anaerobe Probenahmen vor Ort und durch die Kultivierung der gewonnenen Organismen unter den Druckbedingungen, unter denen sie tatsächlich leben. Wir beraten Betreiber und Ingenieurteams während der Planung und des Baus der Wasserstoffinfrastruktur, von der ersten Explorationsbohrung bis hin zur Materialspezifikation für die Oberflächenanlage. Ein Wasserstoffreservoir lässt sich weitaus einfacher erschließen, wenn seine mikrobiologischen Eigenschaften frühzeitig bekannt sind.