Waterstof onder de grond: veelbelovende opslag, maar nog vol wetenschappelijke gaten

Waterstof geldt als veelbelovende energiedrager voor een klimaatneutrale toekomst: het gas verbrandt zonder CO2-uitstoot en kan overtollige stroom van zonnepanelen en windmolens tijdelijk vastleggen. Maar waterstof bovengronds opslaan in tanks is duur en ruimte-intensief. Daarom kijken onderzoekers naar de ondergrond, op twee manieren: waterstof zelf injecteren en later weer oppompen, of jagen op waterstof die de aarde al miljoenen jaren zelf produceert. Een team van geowetenschappers waarschuwt in Eos dat beide sporen nog vol fundamentele onzekerheden zitten, die juist de kern van toekomstig onderzoek moeten vormen.

Waterstof is een lastige gast onder de grond

Het probleem begint bij de moleculen zelf. Waterstofgas (H2) is het kleinste en lichtste molecuul in de natuur. Het lekt veel sneller weg door gesteente en cement dan aardgas, en stijgt gemakkelijk op via scheuren en breuken. Bovendien leven er in de ondergrond overal microben die waterstof als voedsel gebruiken zodra er water en de juiste chemische stoffen aanwezig zijn. Daar komt een natuurkundig nadeel bij: waterstof bevat per volume-eenheid ongeveer 3,5 keer minder energie dan aardgas, een gevolg van het lage molecuulgewicht. Bij de hoge drukken in diepe ondergrondse reservoirs wordt dat verschil niet kleiner, maar juist iets groter, omdat aardgas onder druk efficiënter samenperst dan waterstof. Elk toekomstig opslag- of winningsproject moet met dat gegeven rekening houden.

Opslag: drie grote onbekenden

Voor ondergrondse waterstofopslag identificeren de onderzoekers drie kernvragen. Ten eerste is niet elke ondergrond geschikt: zoutlagen en lege gasvelden met een intacte afdeklaag zijn het meest kansrijk, maar liggen niet altijd waar de vraag naar opslag het grootst is. Ten tweede vreten microben een deel van de waterstof op. Proefprojecten waarbij waterstof werd geïnjecteerd, laten verliezen zien van een paar procent tot meer dan de helft van de hoeveelheid gas, afhankelijk van de precieze ondergrond. Daardoor schommelt de geschatte round-trip-efficiëntie — het percentage energie dat je terugkrijgt ten opzichte van wat je erin stopt — tussen de 25 en 40 procent. Ten derde is onduidelijk of gesteentelagen die aardgas prima binnenhouden, ook waterstof tegenhouden: het kleine molecuul diffundeert veel gemakkelijker door schalie en andere afsluitende gesteenten.

Natuurlijke waterstof: wel productie, geen bewijs van grote voorraden

De aardkorst maakt voortdurend waterstof aan, onder meer via serpentinisatie van ijzerrijk gesteente, waarbij water reageert met mineralen en daarbij waterstof vrijkomt. Hoeveel van dat gas uiteindelijk de oppervlakte bereikt, is grotendeels onbekend: gemeten bronnen leveren wereldwijd samen ruim minder dan één megaton per jaar, terwijl de diffuse uitstoot over miljoenen vierkante kilometers serpentijngesteente nauwelijks is gemeten. Nog onzekerder is of die waterstof ergens ondergronds in bruikbare hoeveelheden is opgeslagen. De enige put ter wereld die daadwerkelijk waterstof produceert, staat in Mali en levert het equivalent van ongeveer 30 kilowatt continu vermogen — wetenschappelijk interessant, maar geen bewijs van een commercieel bruikbaar reservoir. De put haalt het gas bovendien uit een ondiepe laag grondwater op zo'n 120 meter diepte, geen afgesloten drukreservoir. Omdat waterstof continu kan blijven ontstaan, is bovendien lastig te zeggen of een oppervlaktesignaal wijst op een grote, opgesloten voorraad of gewoon op gas dat voortdurend doorstroomt zonder zich ooit op te hopen.