Influence of Underground Hydrogen Storage in Salt Caverns on the Hydrogen Purity

Abstract

Salzkavernen stellen eine wesentliche Komponente der nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft für die Kompensation der fluktuierenden Erzeugung erneuerbarer Energien dar. Diese Dissertation behandelt die Herausforderungen und Potenziale der Wasserstoffspeicherung in Salzkavernen mit Fokus auf Materialkompatibilität und Wasserstoffqualität für Brennstoffzellenanwendungen. Grundlage ist die Entwicklung eines kontaminationsfreien Probenahmeverfahrens kombiniert mit einer hochsensitiven Spurengasanalytik. Zur Validierung der Methodik für reproduzierbare Probenahmen unter realistischen Hochdruckbedingungen (70 MPa) und der Gasanalyse mittels Ionen-Molekül-Reaktion-Massenspektrometrie nach DIN 17124:2022 wurde eine Feldstudie an einer Wasserstofftankstelle durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten eine überwiegend hohe Wasserstoffreinheit (> 99,92 %), einzelne Verunreinigungen überschritten jedoch die Grenzwerte. Auf Basis dieser Methoden wurde die Wasserstoffqualität in einer Salzkaverne mittels kontrollierter Einlagerungsversuche untersucht. Die Wasserstoffreinheit lag nach der Speicherung bei über 99,95 %, jedoch überschritten die Konzentrationen von Stickstoff, Wasser und halogenierte Verbindungen die Grenzwerte der DIN 17124:2022. Die hohen Konzentrationen von Stickstoff waren auf das während der Kavernenbildung eingesetzte Stickstoffblanket zurückzuführen und nahmen durch wiederholte Speicherzyklen ab, während die von Wasser und halogenierte Verbindungen die Notwendigkeit einer Aufreinigung des Wasserstoffs nach der Speicherung verdeutlichen. Materialuntersuchungen zeigten, dass der „H2ready“ Stahl API 5L X56 unter simulierten Kavernenbedingungen mit Wasserstoff und Druck-/Temperaturzyklen eine bessere Korrosionsbeständigkeit, geringere Rissbildung und folglich höhere Langzeitstabilität für die Kavernenspeicherung aufweist als der konventionell für die Erdgasspeicherung verwendete Kavernenstahl API 5CT J55. Insgesamt liefert diese Arbeit einen ganzheitlichen Ansatz zur Bewertung der Wasserstoffreinheit und Materialbeständigkeit und unterstützt so die Etablierung von Wasserstoffspeicherung in Salzkavernen.