Geologischer Wasserstoff

Geologischer Wasserstoff – Eine unterschätzte Energiequelle?

Für den Übergang zu einem klimaneutralen Energiesystem und einer klimaneutralen Industrie werden große Mengen an kohlenstoffarmem Wasserstoff benötigt. Da die Entwicklung von grünem und blauem Wasserstoff länger dauert als erhofft, rückt eine weitere Form zunehmend in den Fokus: geologischer Wasserstoff.

Geologischer Wasserstoff umfasst zwei Formen: Natürlicher Wasserstoff (auch weißer oder goldener Wasserstoff) ist molekularer Wasserstoff geologischen Ursprungs, der durch natürlich ablaufende geologische Prozesse – etwa Reaktionen zwischen bestimmten Gesteinsarten und Wasser – im Erduntergrund entsteht. Unter geeigneten geologischen Bedingungen kann er sich in unterirdischen Lagerstätten ansammeln. Das Interesse daran wurde maßgeblich durch die Entdeckung eines Wasserstoffvorkommens in der Nähe des Dorfes Bourakébougou in Mali geweckt – dem ersten bekannten Standort, an dem natürlicher Wasserstoff gefördert und zur Stromerzeugung genutzt wurde. Seitdem haben wissenschaftliche Veröffentlichungen erheblich zugenommen, und sowohl Start-ups als auch große Energieunternehmen haben begonnen, das Potenzial zu erkunden. Explorationsgenehmigungen wurden bereits in Frankreich, Spanien, Finnland, den USA, Kanada, Australien, China und Russland erteilt.

Stimulierter Wasserstoff (auch oranger Wasserstoff) verfolgt einen anderen Ansatz: Anstatt natürlich entstandene Lagerstätten zu suchen, werden gezielt Reaktionen im Untergrund ausgelöst – etwa durch die Injektion von Wasser oder Katalysatoren in eisenhaltige Gesteinsformationen. Der entstehende Wasserstoff wird aus dem rückgeführten Fluid extrahiert. Die Forschung ist bisher weitgehend auf Laborexperimente beschränkt, und ein kommerzieller Einsatz dürfte noch Jahrzehnte entfernt sein. Diese Publikation konzentriert sich vorrangig auf natürlichen Wasserstoff.

Während das Thema in den Geowissenschaften zunehmend diskutiert wird, hat es bisher nur wenig Aufmerksamkeit von Fachleuten aus den Bereichen Energietechnik, Energiesystemanalyse und Energiewirtschaft erhalten. Auch in der öffentlichen Wahrnehmung spielt es noch keine große Rolle. Politische Entscheidungsträgerinnen und -träger in mehreren Ländern haben dennoch hohe Erwartungen geäußert. Das ESPAS-System der EU erklärt in seinem Global Trends Report 2024, die Möglichkeit der Gewinnung natürlicher Wasserstoffvorkommen berge „Potenzial für eine künftige Energierevolution". In Deutschland hat natürlicher Wasserstoff bislang vergleichsweise wenig Aufmerksamkeit in Politik und Forschung erhalten.

Diese Publikation der Akademieninitiative ESYS gibt einen Überblick über den Stand der wissenschaftlichen Erkenntnisse zu geologischem Wasserstoff, zeigt zentrale Unsicherheiten auf und bewertet die potenzielle Rolle von natürlichem Wasserstoff bei der Energiewende. Die Ergebnisse basieren auf Interviews und einem Workshop mit internationalen Fachleuten.

Entstehung

In der Tiefe der Erde erzeugen verschiedene chemische Reaktionen Wasserstoff. Damit er zur nutzbaren Ressource werden kann, muss er sich in geeigneten Gesteinsformationen ansammeln, ohne auf dem Weg verloren zu gehen.

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Übersicht

Die Entstehung natürlicher Wasserstoffansammlungen ist ein komplexer Prozess. Betrachten Sie den Weg von der Bildung in der Tiefe bis zur potenziellen Förderung.

Genauer betrachtet: Die zwei wichtigsten Entstehungsprozesse

Zwei abiotische Prozesse gelten nach Ansicht der meisten Fachleute als die bedeutendsten Quellen potenziell förderbaren natürlichen Wasserstoffs. Klicken Sie auf einen der Gesteinsbereiche im Querschnitt, um mehr zu erfahren.

Radiolyse: Wasserspaltung durch radioaktiven Zerfall

Radiolyse tritt in Gesteinen auf, die reich an radioaktiven Elementen sind – vor allem Uran, Thorium und Kalium, wie sie in Granit und Steinsalz vorkommen. Die ionisierende Strahlung aus dem natürlichen Zerfall dieser Elemente spaltet Wassermoleküle in molekularen Wasserstoff (H₂) sowie Sauerstoff, Wasserstoffperoxid oder andere oxidierte Verbindungen. Da der Prozess von den langsamen Zerfallsraten der radioaktiven Elemente abhängt, verläuft Radiolyse deutlich langsamer als Serpentinisierung. Über geologische Zeiträume können sich dennoch erhebliche Wasserstoffmengen ansammeln – sofern Migrationsverluste und mikrobieller Verbrauch begrenzt bleiben.

Ein wichtiges Nebenprodukt der Radiolyse ist Helium, das beim radioaktiven Zerfall von Uran und Thorium gemeinsam mit Wasserstoff entsteht. Dies macht die Koproduktion beider Gase potenziell interessant.

Serpentinisierung: Eisenhaltiges Gestein reagiert mit Wasser

Wenn Wasser in eisenhaltige ultramafische Gesteine eindringt – vor allem in Peridotite, die hauptsächlich aus dem Mineral Olivin bestehen – setzt eine chemische Reaktion ein, die als Serpentinisierung bezeichnet wird. Die eisenhaltigen Mineralien werden hydratisiert und oxidiert, wobei Serpentinmineralien, Magnetit und molekularer Wasserstoff entstehen. Die Reaktion ist stark temperaturabhängig: Sie verläuft am effizientesten bei 200 bis 350 °C – Temperaturen, die in vielen kontinentalen geologischen Umgebungen erst in Tiefen von sieben bis zehn Kilometern erreicht werden.

In Europa enthalten Kompressionsgürtel wie die Pyrenäen und die Alpen mantelbürtige Gesteine, die durch plattentektonische Prozesse nahe an die Oberfläche gebracht wurden. Eine tiefe Zirkulation meteorischer Wässer (d. h. Niederschlagswässer) durch Rissnetzwerke fördert die Wasser-Gesteins-Wechselwirkung. Der entstehende Wasserstoff kann anschließend in angrenzende Sedimentbecken migrieren, wo geeignete Reservoir- und Deckgesteinsstrukturen eine Ansammlung ermöglichen.

Wo wird gesucht?

Die Gesteinsarten, die Wasserstoff erzeugen können, sind auf allen Kontinenten weit verbreitet. In den letzten Jahren haben die Explorationsaktivitäten weltweit deutlich zugenommen.

Bisherige Kartierungen stützen sich überwiegend auf dokumentierte Wasserstoffvorkommen. Da Wasserstoff bis vor einigen Jahren nicht gezielt gesucht wurde, stammen die Daten häufig aus Gasproben, die im Rahmen der Öl-, Gas- oder Bergbauexploration entnommen wurden. Ein wesentliches Problem ist, dass vielversprechende Regionen mangels Daten übersehen werden könnten. Zudem wird in den meisten Fällen nur die Wasserstoffkonzentration angegeben – erhöhte Konzentrationen allein belegen jedoch noch keine größere unterirdische Ansammlung oder wirtschaftlich förderbare Ressource. Zuletzt hat ein Paradigmenwechsel hin zur prädiktiven Kartierung stattgefunden, die geologische und geophysikalische Daten sowie Modellierungen von Entstehung, Transportpfaden und Ansammlung einbezieht. Die Europäische Kommission hat eine Ausschreibung zur Kartierung natürlicher Wasserstoffressourcen in der EU veröffentlicht. Ob, wo und wann die Suche nach natürlichen Wasserstoffansammlungen letztlich erfolgreich sein wird, bleibt abzuwarten. Ob die Ansammlungen wirtschaftlich rentabel sind, hängt zudem neben der Geologie von weiteren Faktoren ab.

Globale Vorkommen

Klicken Sie auf die Explorationsstätten, um mehr zu erfahren.

Anwendungsfälle

Die wirtschaftliche Rentabilität von natürlichem Wasserstoff lässt sich maßgeblich verbessern, wenn er gemeinsam mit anderen wertvollen Ressourcen gefördert (Koproduktion) und/oder ein kostspieliger Transport vermieden wird. Da der Aufbau flächendeckender Pipelineinfrastruktur Jahre dauern wird und viele Vorkommen vermutlich relativ klein sein dürften, gelten dezentrale Anwendungsfälle mit lokaler Nutzung kurzfristig als am vielversprechendsten.

Koproduktion mit Helium

Helium ist ein inertes Gas, das in der Medizin, der Forschung und der Halbleiterherstellung eingesetzt wird. Es gilt als nicht erneuerbare Ressource; derzeit ist die Koproduktion mit Erdgas die gängigste kommerziell tragfähige Quelle. Laut USGS betrug die weltweite Heliumproduktion 2025 rund 180 Millionen Kubikmeter.

Helium tritt häufig gemeinsam mit Wasserstoff auf, da beide Reaktionsprodukte der Radiolyse sind. So wurden beispielsweise 92 % Wasserstoff und 3 % Helium aus einem Projekt in Kansas (USA) sowie 86 % Wasserstoff und 6,8 % Helium aus Südaustralien gemeldet. Da beide Gase wertvoll sind, wäre eine gemeinsame Förderung ideal – die Trennung der beiden Gase stellt jedoch nach wie vor eine technische Herausforderung dar.

Dezentrale Energieerzeugung für Bergbauprojekte

Eisenhaltige Gesteine, aus denen Wasserstoff entstehen kann, beherbergen häufig auch wertvolle Mineralien wie Gold, Kupfer oder Nickel. Bergwerksstandorte sind große Industriekomplexe mit hohem Energiebedarf, die oft an abgelegenen Orten liegen – weit vom Stromnetz entfernt und damit auf die kostspielige Eigenstromerzeugung mit Dieselgeneratoren angewiesen.

Die Wasserstoffgewinnung an Bergbaustandorten und ihre Nutzung zur Energieversorgung des Betriebs stellt daher einen attraktiven Anwendungsfall dar. Sie vermeidet kostspielige Transportinfrastruktur, und da Bergbauunternehmen die Projekte wahrscheinlich selbst finanzieren würden, entfällt die Notwendigkeit, externe Investoren zu gewinnen. Bislang haben allerdings nur wenige Bergbauunternehmen damit begonnen, natürlichen Wasserstoff zu erkunden.

Koproduktion mit geothermischer Energie

Standorte, die für die geothermische Energieerzeugung geeignet sind, können auch natürlichen Wasserstoff aufweisen. Eine Studie aus Island – wo zahlreiche geothermische Bohrlöcher in Betrieb sind – zeigte, dass eine Koproduktion grundsätzlich möglich wäre: Der bei Geothermieprojekten freigesetzte Wasserstoff wird derzeit einfach in die Atmosphäre emittiert, könnte aber durch Gasabscheidung zurückgewonnen werden.

Weiteres Potenzial besteht beispielsweise in der Türkei und Australien. In Deutschland möchte ein Pilotprojekt in Nordbayern bis 2030 die kommerzielle Machbarkeit der lokalen Gewinnung von natürlichem Wasserstoff in Kombination mit oberflächennaher Geothermie nachweisen.

Fazit und Ausblick

Geologischer Wasserstoff hat weltweit wachsendes Interesse bei Forschenden, Start-ups und Energieunternehmen geweckt. Die Aussicht auf eine potenziell kostengünstige, kohlenstoffarme Wasserstoffquelle ist verlockend – doch der aktuelle Wissensstand ist durch erhebliche Unsicherheiten geprägt. Diese Publikation zieht folgende Schlüsse und benennt Maßnahmen, um die Forschung und Exploration voranzubringen und damit die Wissensgrundlage zu verbessern.

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Existenz förderbarer Lagerstätten bleibt ungewiss

Bislang wurde weltweit keine großräumige, wirtschaftlich förderbare natürliche Wasserstofflagerstätte nachgewiesen. Zwar sind die Mechanismen der Wasserstoffbildung im geologischen Untergrund vergleichsweise gut verstanden, doch bestehen nach wie vor erhebliche Wissenslücken: wie Wasserstoff durch den Untergrund migriert, ob und wo er sich in ausreichenden Mengen ansammelt und wie viel davon durch Mikroben verbraucht wird. Ein großer Teil der öffentlich zugänglichen Daten stammt aus Unternehmensberichten statt aus Peer-Review-geprüften Studien, was eine unabhängige Bewertung erschwert. Die meisten Fachleute halten es dennoch für wahrscheinlich, dass förderbare Lagerstätten existieren – ihre Entdeckung wäre der wichtigste Meilenstein für das Feld.
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Dezentrale Anwendungen sind der plausibelste kurzfristige Beitrag

Sollten wirtschaftlich tragfähige Lagerstätten entdeckt werden, hängen die Produktionskosten stark von standortspezifischen Faktoren ab – Fördermenge, Wasserstoffkonzentration, Tiefe der Lagerstätte und Nähe zu Abnehmern. Unter günstigen Bedingungen könnten die Kosten mit anderen kohlenstoffarmen Wasserstoffquellen konkurrieren. Die meisten Fachleute sehen den realistischsten kurzfristigen Anwendungsfall in der dezentralen Energieversorgung – etwa für abgelegene Bergbaustandorte in geologischen Umgebungen, in denen Wasserstoff und Bodenschätze gemeinsam auftreten. Eine Rolle als großskalige Säule der globalen Wasserstoffwirtschaft gilt als weniger wahrscheinlich; natürlicher Wasserstoff ist eher als Baustein denn als alleiniger Gamechanger zu verstehen.
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Die Hoffnung auf natürlichen Wasserstoff darf nicht von anderen Technologien der Energiewende ablenken

Angesichts der bestehenden Unsicherheiten kann nicht als selbstverständlich vorausgesetzt werden, dass natürlicher Wasserstoff einen entscheidenden Beitrag zum Übergang zur Klimaneutralität leisten wird. Grüner Wasserstoff und Elektrifizierung müssen unabhängig davon ausgebaut werden. Nur wenn große, wirtschaftlich förderbare Lagerstätten bestätigt und ihre Umweltverträglichkeit nachgewiesen sind, sollte natürlicher Wasserstoff als zusätzliches Element in langfristige Transformationsstrategien integriert werden.

Low-Regret-Maßnahmen

Die folgenden Maßnahmen können dazu beitragen, eine bessere Evidenzbasis zu schaffen und Hürden für die Exploration abzubauen – ohne natürlichen Wasserstoff voreilig als strategische Ressource festzuschreiben.

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Rechtsstatus von natürlichem Wasserstoff klären

In vielen Ländern erlauben die rechtlichen Rahmenbedingungen Exploration und Förderung von natürlichem Wasserstoff noch nicht explizit. In Deutschland ist seit April 2026 durch die Anerkennung von Wasserstoff und Helium als bergfreie Rohstoffe – wie im Wasserstoffbeschleunigungsgesetz festgeschrieben – die Zustimmungspflicht der Grundstückseigentümer aufgehoben. Dies kann Kosten und Verwaltungsaufwand für Explorationsunternehmen erheblich reduzieren.
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Forschung zur Schließung kritischer Wissenslücken fördern

Öffentliche Forschungsförderung für geologische Wasserstoffsysteme kann dazu beitragen, eine bessere Wissensgrundlage für fundierte politische Entscheidungen zu schaffen. Unabhängige, wissenschaftlich belastbare Daten werden vor allem zu Migrationspfaden, mikrobiellem Verbrauch und der Interpretation gemessener Daten benötigt. Die gewonnenen Erkenntnisse sind teilweise auch für die unterirdische Wasserstoffspeicherung von Bedeutung – eine Technologie, die unabhängig von den Potenzialen natürlichen Wasserstoffs für die Energiewende relevant ist.
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Umweltverträglichkeit konsequent bewerten

Natürlicher Wasserstoff ist nicht automatisch klimaneutral. Umfassende Lebenszyklusanalysen sind unabdingbar. Insbesondere, wenn natürlicher Wasserstoff zusammen mit dem starken Klimagas Methan vorkommt, könnte dies die Klimabilanz erheblich verschlechtern. Zudem sind indirekte Klimaeffekte von Wasserstoffemissionen noch nicht hinreichend verstanden. Um als kohlenstoffarmer Brennstoff im Sinne der EU-Erneuerbare-Energien-Richtlinie anerkannt zu werden, muss die Klimabilanz sorgfältig bewertet werden. Erste Schätzungen deuten darauf hin, dass natürlicher Wasserstoff aus hochkonzentrierten Vorkommen einen ähnlichen Klimafußabdruck wie grüner Wasserstoff aufweisen könnte – doch dies kann stark von den Standortbedingungen abhängen und bedarf weiterer Untersuchung.

Energiesysteme der Zukunft