Für ein Energiesystem, das auf erneuerbaren Energien basiert, müssen neben der Produktions- und Transportinfrastruktur für Wasserstoff auch Speicherkapazitäten aufgebaut werden. Die Speicherung von Wasserstoff soll überwiegend in unterirdischen Anlagen erfolgen – ähnlich wie es bereits beim Erdgas praktiziert wird. Dabei wird grundsätzlich zwischen Kavernen- und Porenspeichern unterschieden: Bei Kavernenspeichern gibt es bereits erfolgreiche Forschungs- und Pilotprojekte, während Porenspeicher für die Wasserstoffspeicherung bislang technisch kaum erprobt sind. Insgesamt bieten die bestehenden Kavernenspeicher eine Speicherkapazität von rund 168 TWh Erdgas. Niedersachsen weist dabei eine besonders hohe Dichte an potenziellen Kavernenspeichern auf (eine Übersicht von Projekten gibt es unter dem Artikel). Da Wasserstoff eine deutlich geringere Energiedichte als Erdgas aufweist, sinkt das nutzbare Volumen in diesen Speichern auf etwa ein Fünftel.
Aufgrund der zunehmenden Elektrifizierung in den einzelnen Sektoren wird zukünftig jedoch weniger Energie in Form von Wasserstoff gespeichert, als es jetzt mit Erdgas erfolgt. So rechnet die Bundesregierung im Jahr 2030 mit einem Speicherbedarf von 2 bis 7 TWh Wasserstoff, bis 2045 soll dieser auf 50 bis 80 TWh ansteigen. Auf europäischer Ebene werden bis zu 161 TWh benötigt – auf Grund der geologischen Gegebenheiten dürfte ein erheblicher Anteil davon in Deutschland realisiert werden. Grundsätzlich bieten freiwerdende Erdgasspeicher Potenzial für eine Umrüstung auf Wasserstoff. Allerdings ist fraglich, ob der Rückgang der Erdgasnutzung schnell genug erfolgt, da parallel weiterhin neue Gaskraftwerke für den Kohleaustieg und als Reserve geplant und gebaut werden. Neben der sukzessiven Umwidmung bestehender Kavernen müssen daher auch neue Kavernen gesolt werden.
Die Umrüstung bestehender Erdgasspeicher erfordert rund fünf Jahre, während die Erschließung neuer Speicherkapazitäten mindestens zehn Jahre in Anspruch nimmt. Damit werden frühzeitige Investitionsentscheidungen unverzichtbar. Bislang sind in Deutschland jedoch nur wenige Vorhaben angekündigt, was einem geplanten Speichervolumen von unter 0,5 TWh bis 2030 entspricht. Verglichen mit dem prognostizierten Bedarf würde sich somit bereits bis 2030 eine deutliche Speicherlücke ergeben.