Eine vielversprechende kohlenstoffarme Energiequelle
Tief im Untergrund der Erde kann natürlicher Wasserstoff entstehen, wenn Wasser mit eisenreichen Gesteinen aus dem Erdmantel reagiert. Bei diesem natürlichen Prozess, der sogenannten Serpentinisierung, wird molekularer Wasserstoff (H₂) kontinuierlich freigesetzt – anders als grüner Wasserstoff, dessen Herstellung Elektrizität erfordert, oder grauer Wasserstoff, der auf fossilen Brennstoffen beruht. Austritte natürlichen Wasserstoffs wurden bereits an zahlreichen Standorten weltweit an der Erdoberfläche gemessen. An einzelnen Orten, etwa in Mali und auf den Philippinen, wird er bereits lokal als Energiequelle genutzt.
Untersuchungsgebiete: Westliche Pyrenäen und Nordkalifornien
Eine zentrale Herausforderung für die Wissenschaft ist es, zu bestimmen, wie viel Wasserstoff tatsächlich im Untergrund entsteht, wie schnell er gebildet wird und unter welchen Bedingungen sich nutzbare Ansammlungen entwickeln können. Um diese Fragen zu beantworten, arbeiteten Forschende aus Geophysik, Geologie, Geochemie und Physik des LIAG-Instituts für Angewandte Geophysik, der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, der Tschechischen Akademie der Wissenschaften, der Universitäten Montpellier und Toulouse, des United States Geological Survey sowie des MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen zusammen.
Das Team untersuchte zwei geologisch gut dokumentierte Regionen: die westlichen Pyrenäen und Nordkalifornien. In beiden Gebieten reagieren zwei unterschiedliche ultramafische Gesteine aus dem oberen Erdmantel mit Wasser in großen Tiefen. In den westlichen Pyrenäen handelt es sich um sogenannte fertile Lherzolithe, die bei früheren Dehnungsprozessen in vergleichsweise geringe Tiefen verlagert wurden, in Nordkalifornien um verarmte Harzburgite der Coast Range Ophiolite. An beiden Standorten ist Wasserstoff an der Oberfläche nachweisbar.
Geophysik macht Wasserstoff-Produktionsraten belastbarer
Da die Serpenitisierung tief im Untergrund abläuft, lässt sie sich nicht unmittelbar beobachten. Hier setzt die Geophysik an: Aus Schwerefeld-, Magnetfeld- und seismischen Daten rekonstruierte das Team die Verbreitung, das Volumen, die Temperatur und den Umwandlungsgrad der Mantelgesteine in drei Dimensionen. Anschließend wurden die geophysikalischen Modelle mit thermodynamischen und kinetischen Berechnungen der Fluid-Gestein-Reaktionen gekoppelt. Anstatt theoretische Maximalpotenziale abzuschätzen, modelliert die Studie somit tatsächliche Raten, mit denen Wasserstoff unter realen geologischen Bedingungen erzeugt wird – unter Berücksichtigung physikalischer und chemischer Einschränkungen, die in früheren Studien weitgehend unbeachtet blieben. Das Ergebnis ist ein realistischeres, aber auch handlungsorientierteres Bild von natürlichem Wasserstoff als Ressource.
Mehrere hundert Tonnen pro Jahr – doch weniger als erwartet
Für die westlichen Pyrenäen gibt die Studie eine Produktion von rund 308 Tonnen Wasserstoff pro Jahr an, für Nordkalifornien rund 515 Tonnen. Diese Werte liegen deutlich unter früheren theoretischen Schätzungen, die von Hunderttausenden bis Millionen Tonnen pro Jahr ausgingen. Zugleich stimmen sie mit Messungen natürlicher Wasserstoffflüsse an vergleichbaren geologischen Systemen weltweit überein. Dies stärkt das Vertrauen darin, dass das Modell die wahre Größenordnung des Prozesses erfasst.
„Unsere Ergebnisse sind ein realistischer Ausgangspunkt, der uns zeigt, wo wir suchen müssen, welche Bedingungen die Anreicherung begünstigen und auf welche Zeitrahmen wir planen müssen. Genau das benötigt die verantwortungsvolle Exploration jeder neuen Energieressource“,erklärt Forscher Dr. Rodolfo Christiansen, Erstautor der Studie, die im Rahmen seiner wissenschaftlichen Tätigkeit am LIAG-Institut für Angewandte Geophysik entstand.
Die geringeren Produktionsraten ergeben sich vor allem daraus, dass frühere Ansätze überwiegend die vorhandenen Gesteinsvolumina betrachteten. Die neue Modellierung berücksichtigt zusätzlich Prozesse, welche die natürliche Wasserstofffreisetzung begrenzen. Dazu gehören die Sättigung des gelösten Wasserstoffs in Porenfluiden, die die Bildung verlangsamt, sobald die Flüssigkeit ihre Löslichkeitsgrenze erreicht. Ebenso berücksichtigt sie die Rate, mit der Gesteinsoberflächen mit Wasser in Kontakt kommen. Sobald diese Faktoren in das Modell integriert werden, sinken die Produktionsraten erheblich.
Realistischere Abschätzungen eröffnen neue Chancen für die Exploration
Die Studie begreift gleichzeitig die realistischere Bestimmung der Produktionsraten als Chance: Sie ermöglicht es, Explorationsvorhaben gezielter auszurichten.
„Große Ansammlungen von Wasserstoff sind weiterhin möglich; sie benötigen jedoch Zeit und die richtige Geologie. Mit diesem Wissen und dem Open-Source-Tool PoNHy kann die Wissenschaft zusammen mit der Explorationsbranche gezielter untersuchen, wo günstige Bildungs- und Speicherbedingungen zusammenkommen“,betont Christiansen.
Neu entwickeltes Tool PoNHy ermöglicht weltweiten Vergleich
Im Rahmen der Studie entwickelte das Team das Open-Source-Tool PoNHy, kurz für „Potential for Natural Hydrogen“. Das Modellierungswerkzeug integriert dreidimensionale geophysikalische Inversion mit Thermodynamik und Kinetik der Fluid-Gestein-Reaktionen.
PoNHy ist kostenlos auf GitHub und Zenodo verfügbar und kann auf jedes serpentinisierende geologische System weltweit angewendet werden. PoNHy bietet der Wissenschaftsgemeinde und der Explorationsbranche eine gemeinsam weiterzuentwickelnde Basis, um geologische Situationen miteinander zu vergleichen, regionale Potenziale realistischer zu bewerten und besonders vielversprechende Untersuchungsgebiete gezielter auszuwählen.
Hintergrundinformationen
Publikation in Nature Communications:
Christiansen, R., Sobh, M., Ostertag-Henning, C. et al. Controls on natural hydrogen generation during serpentinization of mantle rocks. Nat Commun 17, 5211 (2026).
Doi: https://doi.org/10.1038/s41467-026-73920-5
Förderung:
Die Entwicklung von PoNHy wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union (Fördernummer 963530) und das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) im Rahmen des HyAfrica-Projekts als Teil der Langzeitpartnerschaft Europa-Afrika für Erneuerbare Energien (LEAP-RE) gefördert. Zusätzliche Finanzierung erhielt die Forschung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzstrategie „The Ocean Floor – Earth’s Uncharted Interface“.
Quellcode und Daten:
- PoNHy-Quellcode und Daten: https://doi.org/10.5281/zenodo.18733249
- Aktuelle Version auf GitHub: https://github.com/RodolfoChristiansen/PoNHy
Wissenschaftlicher Kontakt
Dr.Rodolfo Christiansen (Erstautor, Sprachen Englisch/Spanisch)
r.christiansen(at)mantle8.com
Prof. Dr. Gerald Gabriel (Co-Autor, Forschungsabteilungsleiter am LIAG, Sprachen Deutsch/Englisch)
Tel.: +49 511 643-3510
mailto:Gerald.Gabriel(at)liag-institut.de
Bildmaterial:
- Modellierung am Beispiel der Pyrenäen: Eisenhaltige Gesteinsvorkommen werden als sogenannte Serpentinite nach der Reaktion mit Wasser vom restlichen Mantelgestein abgegrenzt. © Rodolfo Christiansen / Mod. vom Original Christiansen et al.
- Beispielmodell aufsteigender Wasserstoff. © Anne-Marie Pogoda / LIAG.
- Beispielbild Wasserstoffmoleküle. © Gerd Altmann / Pixabay.
Über das LIAG
Das LIAG-Institut für Angewandte Geophysik (LIAG) ist eine unabhängige, außeruniversitäre Forschungseinrichtung mit Sitz in Hannover. LIAG-Forschende setzen angewandte geophysikalische Methoden zur Erkundung, Charakterisierung und Abbildung des Untergrundes für die Beantwortung gesellschaftlich relevanter Forschungsfragen ein. Sie entwickeln dabei kontinuierlich entsprechende Mess- und Auswerteverfahren weiter. Themenschwerpunkte setzen sie auf Grundwassersysteme, Geogefahren und Georeservoire als Energiequelle und Energiespeicher. Mit über 75 Jahre Erfahrung in der Angewandten Geophysik leistet das Institut so einen wichtigen Beitrag zu den nachhaltigen Entwicklungszielen der Vereinten Nationen. Die langjährige Spezialisierung auf oberflächennahe geophysikalische Anwendungen, die Geräte- und Dateninfrastruktur sowie die daraus resultierende Kompetenz in der Kombination vielfältiger geophysikalischer Methoden zeichnen das LIAG als eine in Deutschland einzigartige Forschungseinrichtung aus.