Voor een stof die zowel reukloos als kleurloos is, heeft het waterstofmolecuul inmiddels wel een heel kleurrijk scala aan namen. Alsof zwart, bruin, grijs, groen, geel, goud en paars nog niet genoeg was, kunnen we sinds kort ook witte waterstof aan het rijtje toevoegen.
Het gaat dan om ongebonden waterstof die volgens geologische onderzoek in zeer grote volumes opgeslagen ligt in de aardkorst. Wie waterstof googelt, kan nog steeds lezen dat waterstof weliswaar het meest voorkomende element in het heelal is, maar dat het niet of nauwelijks ongebonden voorkomt op de aarde. En dát blijkt dus niet te kloppen. Volgens de meest optimistische schatting – die van de US Geological Survey – bevat de aardkorst genoeg ongebonden waterstof om voor honderden jaren in de behoefte van de aarde te voorzien.
Hoe is het mogelijk dat we al deze witte waterstof tot voor kort hebben gemist of genegeerd? Emily Yedinak werkte bij ARPA-e – het instituut voor geavanceerd energieonderzoek van het Amerikaanse ministerie van defensie – aan het beantwoorden van deze vraag. ‘Geologen hebben in de afgelopen decennia regelmatig natuurlijke waterstof in de bodem aangetroffen,’ zegt Yedinak. ‘Het betrof steeds wetenschappers die onderzoek deden naar de vorming van de aarde en die niet bepaald geïnteresseerd waren in waterstof als energiebron.’ En waarom is de olie- en gassector bij duizenden boringen nooit op die waterstof gestuit? ‘In de eerste plaats zochten die nooit naar waterstof,’ aldus Yedinak. ‘In de tweede plaats is het onwaarschijnlijk dat je vrije waterstof aantreft op plaatsen waar je olie en gas mag verwachten. De waterstof zal daar altijd snel reageren met koolstof.’
Rene Peters, waterstofexpert van TNO, beaamt dat het waterstofmolecuul maar al te graag reageert met andere stoffen. ‘Als je zwavel in de buurt hebt dan ontstaat waterstofsulfide. Is er zuurstof dan krijg je water. Is er koolstof dan wordt het methaan en met stikstof krijg je ammoniak,’ aldus Peters. Verder is het waterstofmolecuul heel klein. ‘Als het al ontstaat in de aarde, dan kan het heel gemakkelijk door gesteenten naar de atmosfeer ontsnappen. Er zijn een flink aantal locaties bekend waar al jarenlang waterstof uit de bodem lekt. Als je dus grote volumes in de aardkorst wilt aantreffen, dan moeten die gevangen zitten onder een ondoordringbaar gesteente, of bijvoorbeeld onder een zoutkoepel.’
“Als je grote volumes in de aardkorst wilt aantreffen, dan moeten die gevangen zitten onder een ondoordringbaar gesteente, of bijvoorbeeld onder een zoutkoepel.”
Rene Peters, waterstofexpert bij TNO
In 1987 waren de bewoners van het Malinese dorp Bourakébougou bezig met het boren van een nieuwe waterput toen er plotseling een harde wind uit het boorgat begon te waaien. Die wind bleef jarenlang uit de aarde blazen zonder dat iemand begreep wat het was. Pas in 2012 stelden experts van het Canadese oliebedrijf Chapman Petroleum vast dat het gas dat uit de put kwam voor 98 procent bestond uit pure waterstof.
De Malinese ondernemer Aliou Diallo zette een Ford-motor in die de waterstof verbrandde om een 30-kilowatt generator aan te jagen. De elektriciteitsvoorziening van het dorp draaide zo al jarenlang op witte waterstof. De mondiale belangstelling voor deze vorm van waterstof ontstond in 2018 toen de Franse geoloog Alain Prinzhofer samen met Diallo een verslag over de Malinese waterstof publiceerde in het International Journal of Hydrogen Energy.
Hoe ontstaat dat dan
Volgens Yedinak bevat de aarde niet alleen grote volumes aan witte waterstof, sommige gesteenten in de aarde zijn ware fabrieken die doorlopend nieuwe waterstof produceren. Witte waterstof is daardoor niet alleen een energiebron, maar ook nog eens een duurzame energiebron. ‘In Australië hebben ze ontdekt dat door de aanwezigheid van natuurlijke radioactiviteit water gesplitst wordt in zuurstof en waterstof. Die waterstof zit dan, als het goed is, gevangen onder ondoordringbare gesteenten. De voornaamste bron van witte waterstof is echter het proces van serpentinisatie in ijzerhoudende gesteenten als olivijn. In deze gesteenten oxideert ijzer boven 200 graden Celsius en bij hoge druk door zuurstof te onttrekken aan water, waarbij dan vrije waterstofmoleculen achterblijven,’ zegt Yedinak. Het goede nieuws is dan dat deze ijzerhoudende gesteenten aangetroffen worden in meer dan 70 procent van de aardkorst.
‘Het mooie van witte waterstof is natuurlijk dat het een echte energiebron is,’ zegt Peters. ‘Bij alle andere kleuren waterstof heb je het over energiedragers. We moeten grijze, groene. blauwe of welke kleur dan ook eerst maken voordat we het kunnen gebruiken. Het zijn energiedragers omdat je die energie er eerst zelf in moet steken.’ Kan het zijn dat die witte waterstof dan ook in de Nederlandse bodem zit? Peters: ‘De geologen met wie ik heb gesproken denken dat die kans heel klein is omdat de ijzerhoudende gesteenten en de radioactieve componenten die verantwoordelijk zijn voor de productie van waterstof in onze bodem ontbreken. Ik weet wel dat bij olie- en gasboringen in Nederland ook wel eens waterstof is aangetroffen maar dan in hele lage concentraties.
“Het mooie van witte waterstof is natuurlijk dat het een echte energiebron is”
Rene Peters, waterstofexpert bij TNO
Inmiddels zijn onder meer in Australië, de Verenigde Staten, Spanje en Frankrijk bij boringen zo rond de 3 kilometer waterstof aangetroffen. In Australië werden reeds bij olieboringen in de jaren twintig (!) van de vorige eeuw bronnen ontdekt die tot 85 procent waterstof leverden. Uiteraard waren de boorders toen zwaar teleurgesteld, ze zochten immers naar olie.
De rapporten over deze boringen worden nu gebruikt om opnieuw waterstof te vinden. In de VS heeft het bedrijf Natural Hydrogen Energy bij boringen in 2019 in Nebraska op een diepte van 3,5 kilometer witte waterstof gevonden. Het bedrijf wil niets kwijt over de omvang, maar het kennelijke succes zorgt ervoor dat durfkapitalisten nu ruimhartig investeren in bedrijven die naar waterstof zoeken. Zo heeft Microsoft-miljardair Bill Gates meerdere miljoenen geïnvesteerd in de waterstof startup Koloma.
In Spanje heeft het Brits-Spaanse bedrijf Helios Aragón bij boringen aan de voet van de Pyreneeën ook witte waterstof aangetroffen, geschat op maximaal 1,2 miljoen ton. Het bedrijf wacht nu volgens CEO Ian Munro op een vergunning deze waterstof te gaan exploiteren.
Volgens Peters zal het verkrijgen van de benodigde vergunningen, zeker in Europa, niet gemakkelijk zijn. ‘De bestaande wetgeving op dit gebied gaat immers alleen over het winnen van olie, gas en steenkool,’ aldus de expert van TNO. Mochten de vergunningen rondkomen, dan verwacht Helios Aragón witte waterstof te kunnen winnen voor een kostprijs van rond de 0,75 eurocent per kilo. Dat is een prijs die zeer voordelig afsteekt bij andere kleuren waterstof. De productiekosten van grijze waterstof uit methaan bedragen €1,50 tot €2,50. Groene waterstof die ontstaat door de elektrolyse van water kost al gauw €4,00 tot €6,00.
Veel spectaculairder dan de Spaanse vondst, lijkt een recente ontdekking in Frankrijk. Volgens onderzoek van het GeoRessources Laboratory in Nancy tonen boringen in de streek van de Lorraine in het Noordwesten van Frankrijk aan dat daar zo’n 120 miljoen ton waterstof in de bodem zit. Dat volume is groter dan wat er jaarlijks wereldwijd aan waterstof wordt gemaakt. Het opvallende, en ook onvoorspelbare, aspect is dat de waterstof in de Lorraine opgelost is in een aquifer. Op een kilometer diepte bestaat het mengsel in deze aquifer voor 16 procent uit waterstof. Maar op drie kilometer diepte zou de aquifer voor maar liefst 98 procent bestaan uit waterstof. Het is onduidelijk hoe het mogelijk is dat de concentraties aan waterstof met de diepte zo extreem kan toenemen.
‘Het gaat niet louter om de lage prijs, ‘ zegt Yedinak. ‘Je moet vooral bedenken dat hoe meer witte waterstof je uit de bodem haalt, hoe minder groene waterstof je hoeft te maken. Dat betekent dat je toe kunt met veel minder investeringen in dure elektrolyzers, windturbines en zonnepanelen.’ Ze tekent daarbij wel aan dat je groene waterstof kunt maken waar je het nodig hebt, maar dat voor het gebruik van witte waterstof grote investeringen nodig zullen zijn in het transport. Er zou zo een pijplijn van meer dan 400 kilometer nodig zijn om de waterstof uit de Lorraine te transporteren naar de dichtstbijzijnde grootschalige verbruiker van waterstof n.l. de ammoniakfabriek in het Zeeuwse Sluiskil.
Het gaat niet louter om de lage prijs. Je moet vooral bedenken dat hoe meer witte waterstof je uit de bodem haalt, hoe minder groene waterstof je hoeft te maken.
Emily Yedinak, werkte bij ARPA-e
De EU wil in 2030 10 miljoen ton groene waterstof produceren en nog eens 10 miljoen groene waterstof importeren. Is het mogelijk dat de productie van witte waterstof deze doelen doorkruist? ‘Nee,’ zegt Peters. ‘Laten we vooropstellen dat er nog erg veel onbekend is. We weten niet waar het precies te vinden is. We weten ook niet hoe het precies geproduceerd kan worden. Voor je de benodigde vergunningen hebt en de infrastructuur om het uit te bodem te halen en te transporteren zijn we minimaal vijf tot tien jaar verder. Witte waterstof zal dus zeker voor 2030 geen rol spelen.’
Er zit nog een addertje onder het gras. Juist omdat waterstof zo’n klein molecuul is, kan het gemakkelijk uit de aardkorst ontsnappen. Volgens de US Geological Survey komt er zo jaarlijks zo’n 95.000 ton waterstof op natuurlijk wijze vanuit de aardkorst in de atmosfeer terecht. Nu is waterstof zelf niet een broeikasgas, maar de aanwezigheid ervan stimuleert de vorming van ozon en methaan, stoffen die wel in sterke mate bijdragen aan het opwarmen van het klimaat. Net zoals er nu bij het boren naar olie en gas veel methaan ontsnapt is het aannemelijk dat bij het boren naar waterstof ook een aanzienlijk deel ervan in de atmosfeer terecht kan komen met alle nare gevolgen van dien.
