Zoutcaverne-waterstofopslag: waterstof bewaren in een uitgeholde zoutlaag diep onder de grond
Stel je een grot voor, maar dan niet gemaakt door water dat door kalksteen sijpelt, maar door mensen die met zoet water een dikke zoutlaag diep in de bodem hebben opgelost. Wat overblijft is een enorme, luchtdichte holte in het gesteente: een zoutcaverne. Die holte kan honderden meters hoog zijn en zo breed als een flatgebouw. In zo'n caverne kun je onder hoge druk gassen opslaan, en steeds vaker is dat gas waterstof.
Waterstof geldt als veelbelovende energiedrager voor een systeem dat draait op zon en wind, omdat het overschotten van groene stroom kan omzetten in een brandstof die maanden bewaard blijft. Maar waterstof opslaan is lastig: het is het lichtste gas dat er is, het lekt makkelijker weg dan aardgas en het kan metalen broos maken. Een zoutcaverne blijkt daarvoor een van de weinige ondergrondse opties die goed werkt, omdat zout van nature vrijwel gasdicht is en zichzelf herstelt bij kleine scheurtjes. Dit artikel legt uit hoe dat precies werkt, wie het al doet en hoe ver de techniek werkelijk is.
Wat is het precies?
Een zoutcaverne ontstaat niet vanzelf; hij wordt gemaakt met een techniek die oplosmijnbouw heet. Diep onder de grond, vaak op zeshonderd tot ruim duizend meter diepte, ligt in sommige gebieden een dikke laag steenzout, een overblijfsel van ingedroogde zeeën van miljoenen jaren geleden. Vanaf de oppervlakte wordt een put geboord tot in die zoutlaag. Daar wordt zoet water ingepompt, dat het zout oplost tot pekel (zeer zout water). Die pekel wordt weer omhooggepompt en meestal teruggevoerd naar zee of verwerkt. Na maanden tot jaren pompen ontstaat zo een holle ruimte in het zout: de caverne.
Zout heeft een bijzondere eigenschap die het geschikt maakt voor gasopslag: het is nagenoeg ondoorlatend voor gas en kruipt onder druk langzaam een beetje mee, waardoor kleine scheurtjes zichzelf als het ware dichtdrukken. Dat heet zelfhelend gedrag. Daardoor lekt een goed ontworpen zoutcaverne nauwelijks, ook niet bij het kleine, snel bewegende waterstofmolecuul.
Eenmaal klaar wordt de caverne gevuld met gas onder hoge druk, vaak tientallen tot meer dan honderd bar, afhankelijk van de diepte. Een deel van dat gas, het zogeheten cushion gas of kussengas, blijft permanent achter om de druk op peil te houden en de wanden te ondersteunen; alleen het gas daarboven kan echt op en neer worden gehaald. Zo'n caverne kan, in tegenstelling tot opslag in een leeg gasveld of een waterhoudende ondergrondse laag, vrij snel worden leeggehaald en weer gevuld, soms wel tientallen keren per jaar. Dat maakt zoutcavernes bij uitstek geschikt voor kortcyclische balancering, bijvoorbeeld het opvangen van een paar dagen weinig wind, in plaats van alleen seizoensopslag.
Wat wil men ermee bereiken?
De kern van het idee is simpel: zonnepanelen en windturbines leveren stroom wanneer de zon schijnt of de wind waait, niet per se wanneer wij die nodig hebben. Op zonnige, winderige dagen ontstaat soms een overschot dat het net niet aankan; op windstille winterdagen juist een tekort. Door het overschot te gebruiken om via elektrolyse water te splitsen in waterstof en zuurstof, ontstaat een brandstof die je kunt bewaren tot het nodig is, in de industrie, in de mobiliteit of om er later weer stroom van te maken.
Zoutcavernes moeten in dat plaatje de rol vervullen die ondergrondse gasvelden nu voor aardgas spelen: een grootschalige, relatief goedkope buffer die grote hoeveelheden energie kan vasthouden zonder dat daar dure tanks of batterijen voor nodig zijn. Voor Nederland en Noord-Duitsland, waar al veel ervaring bestaat met ondergrondse gasopslag, is dat een aantrekkelijke gedachte: bestaande kennis en deels bestaande infrastructuur hergebruiken voor een nieuwe energiedrager. Daarnaast zien energiebedrijven en overheden zoutcavernes als onderdeel van een toekomstig waterstofnetwerk, waarbij pijpleidingen waterstof vervoeren tussen industrieclusters en cavernes dienen als buffer en strategische voorraad.
Voorbeelden uit de praktijk
Waterstofopslag in zoutcavernes is geen nieuw idee; de chemische industrie doet dit al decennialang, zij het op kleinere schaal dan nu voor de energietransitie wordt beoogd.
- Teesside, Verenigd Koninkrijk: hier slaat de chemische industrie, ooit ICI en later Sabic en INEOS, al sinds de jaren zeventig van de vorige eeuw waterstof op in een aantal zoutcavernes, als bijproduct van chemische processen. Het is daarmee een van de oudste voorbeelden ter wereld en laat zien dat de techniek op zich al lang beheerst wordt.
- Golfkust van Texas, Verenigde Staten: op locaties als Clemens Dome en Spindletop exploiteren industriële gasbedrijven al langere tijd zoutcavernes voor waterstof, gekoppeld aan raffinaderijen en chemische fabrieken. Spindletop, in gebruik sinds het midden van de jaren 2000, geldt als een van de grootste waterstof-zoutcavernes ter wereld.
- Zuidwending, Nederland: bij Veendam ligt een cluster zoutcavernes dat van oudsher wordt gebruikt voor aardgasopslag door EnergyStock, een dochterbedrijf van Gasunie. Sinds enkele jaren wordt hier, onder de naam HyStock, ook geëxperimenteerd met opslag van waterstof in een van de cavernes, in samenwerking met onder meer Shell. Het gaat vooralsnog om een demonstratieproject en niet om grootschalige commerciële opslag.
- Bad Lauchstädt, Duitsland: hier ontwikkelt gasbedrijf VNG samen met partners een energiepark waarin een bestaande zoutcaverne wordt omgebouwd voor waterstofopslag, gekoppeld aan een naburig windpark en aan het Duitse waterstof-kernnetwerk dat de komende jaren wordt aangelegd. Het project moet in de tweede helft van dit decennium operationeel worden, al zijn planningen in de sector vaker opgeschoven dan gehaald.
- Delta, Utah, Verenigde Staten: het ACES Delta-project van Mitsubishi Power en Magnum Development bouwt zoutcavernes die groene waterstof moeten leveren aan een voormalige kolencentrale die wordt omgebouwd om op waterstof te draaien. Het project is aangekondigd als een van de grootste in zijn soort, maar heeft, zoals veel grote waterstofprojecten, te maken gehad met vertragingen ten opzichte van de oorspronkelijke planning.
Hoe ver is de techniek?
Het opslaan van gas in zoutcavernes op zich is volwassen techniek: er liggen wereldwijd al decennia zoutcavernes vol aardgas, en ook voor industriële waterstof bestaat al tientallen jaren ervaring, vooral in Texas en Engeland. Wat nieuw is, is de schaal en het doel: cavernes die niet alleen bijproduct-waterstof voor een fabriek bufferen, maar grote hoeveelheden groene waterstof opslaan als onderdeel van het bredere energiesysteem.
Voor dat nieuwe gebruik bevindt de sector zich vooral in de fase van pilots en eerste grootschalige projecten, niet in volwaardige uitrol. Een paar knelpunten spelen daarbij een rol. Ten eerste kost het aanleggen van een nieuwe caverne door oplosmijnbouw al gauw vijf tot tien jaar, inclusief vergunningen, en is het gebonden aan gebieden waar dikke, geschikte zoutlagen in de ondergrond zitten, zoals delen van Noord-Nederland, Noord-Duitsland, Noordoost-Engeland en de Amerikaanse Golfkust. Ten tweede kan waterstof op de lange termijn bepaalde staalsoorten broos maken, wat extra eisen stelt aan putmaterialen, afsluiters en compressoren die soms nog moeten worden aangepast of vervangen. Ten derde is er onzekerheid over de vereiste zuiverheid van de opgeslagen waterstof, zeker als cavernes eerder aardgas hebben bevat, en over hoeveel kussengas nodig is om de caverne veilig te laten functioneren. Ten slotte is de businesscase nog fragiel: zolang de markt voor grootschalige groene waterstof zelf nog moet groeien, is het voor investeerders lastig in te schatten hoeveel opslagcapaciteit werkelijk nodig zal zijn en wanneer.
Onafhankelijke onderzoeksinstellingen wijzen er daarnaast op dat de meeste kennis over waterstof in zoutcavernes is opgebouwd met relatief kleine, industriële hoeveelheden; hoe cavernes zich gedragen bij de veel grotere volumes en snellere cycli die voor energieopslag worden voorzien, wordt nu pas in de praktijk getest.
Wie werken eraan?
In Nederland zijn Gasunie en haar dochter EnergyStock, met het HyStock-project in Zuidwending, de belangrijkste partijen, met Shell als samenwerkingspartner en betrokkenheid van kennisinstelling TNO. In Duitsland trekken gasbedrijf VNG en partners in de Energiepark Bad Lauchstädt, terwijl geologische instituten zoals de Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe onderzoek doen naar geschikte zoutformaties. In het Verenigd Koninkrijk zijn energiebedrijven als SSE en Equinor bezig met plannen voor waterstofopslag in zoutcavernes bij Aldbrough, aanvullend op de industriële ervaring van INEOS in Teesside.
In de Verenigde Staten combineren industriële gasleveranciers als Air Liquide en Air Products decennialange ervaring met bestaande cavernes in Texas, terwijl Mitsubishi Power en Magnum Development met ACES Delta een van de grootste nieuwe projecten ontwikkelen, mede gesteund door Amerikaanse overheidsfinanciering gericht op schone energie. Daarnaast doen certificerings- en kennisinstellingen zoals DNV onderzoek naar veiligheidsnormen voor waterstofopslag, en werken universiteiten en onderzoeksinstituten in Nederland en Duitsland aan de materiaalkundige vragen rond waterstof en staal.