Geophysikalische Analyse liefert neue Erkenntnisse zum Potenzial natürlichen Wasserstoffs
Natürlicher Wasserstoff wird als eine potenzielle kohlenstoffarme Energiequelle betrachtet. Allerdings sind die Menge und die Geschwindigkeit seiner Entstehung im Erduntergrund bislang unzureichend quantifiziert. Ein internationales Forscherteam unter Leitung des LIAG-Instituts für Angewandte Geophysik in Hannover veröffentlichte im Fachjournal Nature Communications erstmals prozessbasierte Produktionsraten für die westlichen Pyrenäen und Nordkalifornien. Die ermittelten Werte liegen unter den bisherigen theoretischen Schätzungen, was auf eine realistischere Einschätzung des Potenzials hindeutet. Die angewandte Methodik kann mit dem Open-Source-Tool PoNHy auf weitere Regionen übertragen werden, um geologische Systeme gezielter zu bewerten.
Entstehung von natürlichem Wasserstoff im Untergrund
Natürlicher Wasserstoff entsteht tief in der Erdkruste durch Reaktionen von Wasser mit eisenreichen Gesteinen des Erdmantels, ein Prozess, der als Serpentinisierung bezeichnet wird. Dabei wird kontinuierlich molekularer Wasserstoff (H₂) freigesetzt. Im Gegensatz zu grünem Wasserstoff, der mittels elektrischer Energie erzeugt wird, oder grauem Wasserstoff, der aus fossilen Brennstoffen stammt, ist dieser natürliche Prozess eine potenziell nachhaltige Quelle. Austritte von natürlichem Wasserstoff wurden weltweit an verschiedenen Oberflächenstandorten nachgewiesen und stellen an einigen Orten, beispielsweise in Mali und auf den Philippinen, bereits eine lokale Energiequelle dar.
Untersuchungsregionen und interdisziplinäre Zusammenarbeit
Zur Quantifizierung der Wasserstoffproduktion analysierte das Forschungsteam zwei geologisch gut charakterisierte Gebiete: die westlichen Pyrenäen und Nordkalifornien. In beiden Regionen reagieren unterschiedliche ultramafische Gesteine des oberen Erdmantels mit Wasser in großen Tiefen. In den westlichen Pyrenäen handelt es sich um fertile Lherzolithe, die infolge früherer Dehnungsprozesse in vergleichsweise geringe Tiefen verlagert wurden, während in Nordkalifornien verarmte Harzburgite der Coast Range Ophiolite vorliegen. An beiden Standorten wurde Wasserstoff an der Oberfläche nachgewiesen.
Die interdisziplinäre Kooperation umfasste Experten aus den Bereichen Geophysik, Geologie, Geochemie und Physik vom LIAG, der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, der Tschechischen Akademie der Wissenschaften, den Universitäten Montpellier und Toulouse, dem United States Geological Survey sowie dem MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen.
Geophysikalische Modellierung als Grundlage für realistische Produktionsraten
Da die Serpentinisierung in großer Tiefe stattfindet, ist eine direkte Beobachtung nicht möglich. Das Team nutzte daher geophysikalische Daten wie Schwerefeld-, Magnetfeld- und seismische Messungen, um die Verteilung, das Volumen, die Temperatur und den Umwandlungsgrad der Mantelgesteine dreidimensional zu rekonstruieren. Diese Modelle wurden anschließend mit thermodynamischen und kinetischen Berechnungen der Fluid-Gestein-Reaktionen kombiniert. Dadurch konnten nicht nur theoretische Maximalpotenziale, sondern tatsächliche Produktionsraten unter realen geologischen Bedingungen ermittelt werden. Dabei wurden physikalische und chemische Einschränkungen berücksichtigt, die in früheren Studien oft unberücksichtigt blieben. Das Ergebnis ist eine realistischere und praxisorientierte Einschätzung des natürlichen Wasserstoffpotenzials.
Ergebnisse: Produktionsraten und deren Bedeutung
- Für die westlichen Pyrenäen wurde eine jährliche Wasserstoffproduktion von etwa 308 Tonnen berechnet.
- In Nordkalifornien liegt die Schätzung bei rund 515 Tonnen pro Jahr.
- Diese Werte sind deutlich niedriger als frühere theoretische Schätzungen, die von Hunderttausenden bis zu Millionen Tonnen pro Jahr ausgingen.
- Die Ergebnisse stimmen jedoch mit Messungen natürlicher Wasserstoffflüsse an vergleichbaren geologischen Systemen weltweit überein.
Die geringeren Produktionsraten ergeben sich insbesondere daraus, dass frühere Modelle vor allem das vorhandene Gesteinsvolumen betrachteten. Die aktuelle Studie berücksichtigt zusätzlich Prozesse, die die Freisetzung von Wasserstoff begrenzen, wie die Sättigung des Wasserstoffs in Porenflüssigkeiten, die die Reaktionsgeschwindigkeit verlangsamt, sowie die Kontaktfläche zwischen Wasser und Gestein. Durch diese Faktoren reduziert sich das geschätzte Produktionsvolumen erheblich.
Implikationen für die Exploration natürlicher Wasserstoffvorkommen
Die realistischeren Abschätzungen ermöglichen eine gezieltere Ausrichtung von Explorationsvorhaben. Große Wasserstoffansammlungen sind weiterhin möglich, erfordern jedoch geeignete geologische Bedingungen und ausreichend Zeit für ihre Bildung. Das entwickelte Open-Source-Tool PoNHy unterstützt Wissenschaft und Industrie dabei, Regionen mit günstigen Bedingungen zu identifizieren und zu bewerten.
PoNHy: Ein Open-Source-Tool zur globalen Anwendung
Im Rahmen der Studie wurde PoNHy („Potential for Natural Hydrogen“) entwickelt, ein Modellierungswerkzeug, das geophysikalische Inversionsdaten mit thermodynamischen und kinetischen Modellen der Fluid-Gestein-Reaktionen kombiniert. PoNHy steht kostenfrei auf GitHub und Zenodo zur Verfügung und kann auf beliebige serpentinisierende geologische Systeme weltweit angewandt werden. Es bietet eine gemeinsame Plattform für Forschung und Exploration, um geologische Situationen vergleichbar zu machen und regionale Potenziale präziser zu bewerten.
Kontakt für wissenschaftliche Rückfragen
Dr. Rodolfo Christiansen (Erstautor)
E-Mail: r.christiansen@mantle8.com
Originalpublikation
Christiansen, R., Sobh, M., Ostertag-Henning, C. et al. (2026): Controls on natural hydrogen generation during serpentinization of mantle rocks. Nature Communications, 17, 5211.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-73920-5
Weitere Informationen und Zugang zu PoNHy
- Quellcode und Daten: https://doi.org/10.5281/zenodo.18733249
- Aktuelle Version auf GitHub: https://github.com/RodolfoChristiansen/PoNHy
