Gestimuleerde geologische waterstof: waterstof die de aarde zelf maakt
Diep onder onze voeten zit soms al waterstofgas, ontstaan door natuurlijke chemische reacties in gesteente die al miljoenen jaren aan de gang zijn. Deze zogeheten geologische waterstof (ook wel natuurlijke, witte of gouden waterstof genoemd) hoeft dan niet met een fabriek gemaakt te worden, maar ligt al klaar in de ondergrond. Gestimuleerde geologische waterstof gaat een stap verder: in plaats van te wachten tot de natuur toevallig een bruikbare voorraad heeft aangelegd, proberen onderzoekers en bedrijven het onderliggende proces actief aan te jagen, zodat er sneller en gerichter waterstof ontstaat.
Een analogie helpt: zie het gesteente diep in de aarde als een langzaam smeulend kampvuur dat al eeuwen nauwelijks merkbaar gloeit. Puur natuurlijke waterstof zoeken is dan als toevallig een plek vinden waar dat vuur al een tijdje heeft liggen smeulen en er wat rook is opgehoopt. Stimuleren is als er zuurstof bij blazen: je grijpt in op het proces zelf, zodat het vuur harder gaat branden en je gericht warmte kunt aftappen. In dit geval is het geen vuur maar een chemische reactie tussen gesteente en water, en is de "warmte" waterstofgas dat je via een put kunt opvangen.
Wat is het precies?
De belangrijkste natuurlijke bron van geologische waterstof is een reactie die serpentinisatie heet. Bepaalde gesteentesoorten diep in de aardkorst, zoals peridotiet en het mineraal olivijn, zijn rijk aan ijzer. Wanneer deze gesteentes in contact komen met water, reageren ze daarmee: het gesteente zet chemisch om in nieuwe mineralen (onder andere serpentijn en magnetiet), en als bijproduct van die reactie komt waterstofgas vrij.
Daarnaast bestaan er nog een paar andere, minder dominante manieren waarop waterstof in de ondergrond kan ontstaan. Radiolyse is er zo een: natuurlijke radioactiviteit in bepaalde gesteentelagen kan watermoleculen letterlijk uiteen laten vallen in waterstof en zuurstof. Ook kan er waterstof meekomen met gassen die vanuit de aardmantel omhoog ontsnappen. Deze processen zijn wetenschappelijk minder goed in kaart gebracht dan serpentinisatie en spelen in de meeste projecten een kleinere rol.
Het probleem is dat deze reacties in de natuur meestal traag verlopen, of plaatsvinden op dieptes en in gesteentelagen die moeilijk bereikbaar zijn. Bovendien is de waterstof die vrijkomt, meestal verspreid in het gesteente aanwezig in plaats van netjes verzameld in één ondergrondse "zak" zoals bij aardgas. Om er iets aan te hebben, moet je dus óf een plek vinden waar toevallig genoeg waterstof is opgehoopt, óf het proces zelf versnellen.
Dat laatste is precies wat "stimuleren" inhoudt. Daarbij wordt water, eventueel met chemische toevoegingen, via een put naar beneden gepompt en in geschikte ijzerrijke gesteentelagen geïnjecteerd. Soms wordt het gesteente eerst opengebroken om het contactoppervlak tussen water en mineraal te vergroten, een techniek die vergelijkbaar is met methoden uit de diepe geothermie, waarbij eveneens scheuren in gesteente worden gemaakt om warmte-uitwisseling te verbeteren. Door dit alles zou de serpentinisatiereactie sneller moeten verlopen dan in de natuur, waarna de geproduceerde waterstof via dezelfde of een naburige put weer wordt opgevangen.
Het verschil met gewone "exploratie" van natuurlijke waterstof is dus wezenlijk. Bij exploratie zoek je, net als bij olie en gas, naar bestaande ondergrondse voorraden die je vervolgens aanboort en leegpompt. Bij gestimuleerde productie probeer je zelf een doorlopend productieproces op gang te brengen of te versnellen, in de hoop dat een put zo langere tijd waterstof blijft leveren in plaats van na verloop van tijd leeg te raken.
Wat wil men ermee bereiken?
De aantrekkingskracht van dit idee zit vooral in de belofte van goedkope, relatief schone waterstof. Bij "groene" waterstof wordt water met behulp van elektriciteit uit zon of wind gesplitst in waterstof en zuurstof, een proces dat elektrolyse heet en dat relatief duur is door de benodigde installaties en het stroomverbruik. Bij "grijze" of "blauwe" waterstof wordt aardgas omgezet, wat CO2-uitstoot met zich meebrengt. Geologische waterstof zou, in theorie, geen dure elektrolyse-apparatuur nodig hebben en weinig broeikasgassen uitstoten, omdat de aarde het chemische zware werk al doet.
Landen en bedrijven zien er ook een kans in om minder afhankelijk te worden van energie-import. Een binnenlandse, in potentie continue bron van waterstof zou kunnen bijdragen aan energiezekerheid, vooral voor sectoren die moeilijk te elektrificeren zijn, zoals zware industrie, scheepvaart en zwaar wegtransport. Waterstof kan daar dienen als schone brandstof, als grondstof voor chemische processen (bijvoorbeeld voor kunstmest), of als manier om energie op te slaan en later weer te gebruiken.
Het is belangrijk om hierbij nuchter te blijven: dit alles is vooralsnog vooral een belofte en een hypothese, geen bewezen praktijk op grote schaal. Er is nog geen enkele operationele put ter wereld die op industriële schaal waterstof produceert via actieve stimulatie. De sector bevindt zich nadrukkelijk in een onderzoeks- en pioniersfase.
Voorbeelden uit de praktijk
Het meest aangehaalde voorbeeld is de put bij Bourakebougou in Mali, beheerd door het bedrijf Hydroma. Deze put werd eind jaren tachtig bij toeval ontdekt tijdens een boring die eigenlijk bedoeld was om drinkwater te vinden. Toen bleek dat er bijna zuivere waterstof uit de grond kwam, is de put later uitgerust om een generator aan te drijven en zo het naburige dorp van elektriciteit te voorzien. Dit is een voorbeeld van natuurlijke, dus niet gestimuleerde, waterstof, maar het geldt in de sector wel als het bewijs dat ondergrondse waterstof daadwerkelijk bruikbaar kan zijn.
In Frankrijk zorgde rond 2023 onderzoek verbonden aan de Universiteit van Lorraine voor veel aandacht, na aanwijzingen voor mogelijk grote hoeveelheden waterstof in het Lotharingen-bekken (Lorraine). De precieze omvang van deze vondst is onderwerp van discussie: verschillende schattingen die in de media zijn verschenen, lopen sterk uiteen en zijn door andere wetenschappers bekritiseerd als voorbarig. Vervolgonderzoek moet nog uitwijzen hoeveel van deze waterstof daadwerkelijk winbaar is.
In de centrale Verenigde Staten, met name in de regio Kansas en Nebraska, zijn bedrijven als Natural Hydrogen Energy LLC en HyTerra actief met exploratieboringen naar natuurlijke waterstofvoorkomens. Hun aanpak lijkt sterk op klassieke olie- en gasexploratie: putten boren op plekken waarvan geologische signalen doen vermoeden dat er waterstof aanwezig is.
Specifiek gericht op stimulatie, in plaats van alleen exploratie, zijn jonge Amerikaanse bedrijven als Koloma en Eden GeoPower. Eden GeoPower komt voort uit onderzoek aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en werkt aan technieken om ijzerrijk gesteente actief te laten reageren met geïnjecteerd water, met als doel een put te creëren die over langere tijd waterstof blijft produceren in plaats van een eenmalige voorraad leeg te pompen.
Ook overheden proberen de zoektocht te stimuleren: in de Australische deelstaat Zuid-Australië heeft de overheid exploratiebeleid opgezet dat bedrijven als Gold Hydrogen aanmoedigt om in gebieden zoals het Yorke Peninsula naar natuurlijke waterstof te boren.
Hoe ver is de techniek?
Gestimuleerde geologische waterstof is een jong vakgebied. Het overgrote deel van de wetenschappelijke publicaties, bedrijfsoprichtingen en investeringen dateert van ongeveer 2020 tot nu. Daarvoor bestond er wel losstaand onderzoek naar het fenomeen natuurlijke waterstof, maar kreeg het weinig aandacht buiten een kleine kring geologen.
Belangrijk om te beseffen: het meeste werk dat vandaag de dag gebeurt, is nog exploratie van natuurlijke voorraden, niet echte stimulatie. Het daadwerkelijk versnellen van de ondergrondse reactie door water te injecteren, bevindt zich grotendeels nog in een experimentele en kleinschalige pilotfase, te vergelijken met de vroege ontwikkelstadia van zogeheten enhanced geothermal systems, een vergelijkbare techniek waarbij gesteente wordt opengebroken om aardwarmte beter te kunnen benutten.
Een veelbesproken schatting van de Amerikaanse geologische dienst (USGS), met onderzoek waaraan onder anderen geoloog Geoffrey Ellis meewerkte, suggereert dat de totale hoeveelheid waterstof die wereldwijd in de ondergrond aanwezig zou kunnen zijn, zeer groot is. Het is essentieel om deze schatting op waarde te schatten: het gaat om een theoretische berekening van de totale hoeveelheid, niet om een aangetoonde, vindbare en winbare voorraad. Hoeveel van die waterstof daadwerkelijk op economisch verantwoorde diepte, concentratie en locatie zit, is nog grotendeels onbekend.
Er zijn verschillende obstakels die de weg naar grootschalige toepassing versperren. Ten eerste is onduidelijk hoe snel de serpentinisatiereactie op industriële schaal daadwerkelijk te sturen is, want labresultaten vertalen zich niet automatisch naar de complexe, ongelijkmatige ondergrond. Ten tweede zijn boringen naar grote diepte duur, en bestaan er nog geen bewezen, geoptimaliseerde putontwerpen speciaal voor waterstofproductie. Ten derde is monitoring van eventuele lekkage van het kleine, vluchtige waterstofmolecuul een aandachtspunt. Ten vierde, en niet onbelangrijk, ontbreekt in de meeste landen nog een uitgewerkt wettelijk en vergunningskader: waterstof uit de ondergrond valt vaak niet netjes onder bestaande mijnbouw- of energiewetgeving, die meestal is geschreven met olie, gas of mineralen in gedachten.
Kortom: het is een veelbelovend onderzoeksgebied met serieuze wetenschappelijke basis, maar nog geen bewezen technologie die op grote schaal wordt toegepast. Wie beweert dat gestimuleerde geologische waterstof op korte termijn een groot deel van onze energiebehoefte zal dekken, loopt vooruit op de feiten.
Wie werken eraan?
Op bedrijfsniveau lopen de Verenigde Staten voorop, met exploratiebedrijven als Natural Hydrogen Energy LLC en HyTerra en specifiek op stimulatie gerichte start-ups als Koloma en Eden GeoPower. In Mali houdt Hydroma de bestaande put bij Bourakebougou operationeel, terwijl in Australië Gold Hydrogen actief is in Zuid-Australië.
Op onderzoeksgebied speelt Colorado School of Mines in de Verenigde Staten een centrale rol, met een onderzoeksprogramma dat specifiek gericht is op natuurlijke waterstof. In Frankrijk is de Universiteit van Lorraine een belangrijk kenniscentrum sinds de ontdekkingen in het Lotharingen-bekken.
Overheden en publieke instanties spelen eveneens een rol. In de Verenigde Staten volgen de geologische dienst USGS en het ministerie van Energie (DOE) de ontwikkelingen op de voet en dragen ze bij aan resource-schattingen en onderzoeksfinanciering. In Frankrijk vervult de geologische dienst BRGM een vergelijkbare rol. In Australië heeft de deelstaatoverheid van Zuid-Australië beleid ontwikkeld om exploratie naar natuurlijke waterstof aan te moedigen. Over het geheel genomen lopen vooral de Verenigde Staten, Frankrijk en Australië voorop in dit opkomende veld.