Ondergrondse opslag van waterstof - katalysator voor de duurzame energietransitie
Hernieuwbare energiebronnen zoals zon en wind zijn cruciaal voor de transitie naar een duurzaam energiesysteem. Er kleeft echter één groot nadeel aan deze hernieuwbare bronnen: wij hebben niet in de hand wanneer zij hun energie leveren. In de zomer wordt er al gauw een overvloed aan zonne-energie geproduceerd. Om het tekort in de wintermaanden te kunnen compenseren, wil je deze zonne-energie kunnen omzetten in een efficiënte energiedrager die bovendien makkelijk op te slaan is. Waterstof (hydrogen) zou wel eens de meest veelbelovende kandidaat voor deze rol kunnen zijn, zegt Maartje Boon, die sinds september leiding geeft aan het ADMIRE Hydrogen Lab aan het Delftse Department of Geoscience and Engineering.
Via elektrolyse kan zonne- of windenergie worden omgezet in waterstof. De grote voordelen van waterstof zijn de hoge energie-inhoud per gewichtsmassa en het feit dat dit ‘groene gas’ CO2-vrije verbrandingsproducten levert. Maar om waterstof op grote schaal te kunnen gaan inzetten, moet er eerst een groot vraagstuk worden opgelost: er is heel erg veel ruimte nodig om het gas, dat een zeer lage energie-inhoud per volume heeft, op te slaan.
“Bovengronds is die ruimte er niet, en zelfs de grootschalige opslag van vloeibaar waterstof dat minder ruimte inneemt zou te kostbaar zijn en mogelijk onveilig,” legt Boon uit. En daarom pluizen de onderzoekers van het ADMIRE Hydrogen Lab uit welke mogelijkheden de bodem biedt voor subsurface storage, oftewel de opslag van waterstof in ondergrondse reservoirs.
Opslagkamer of voorraadkast
Maartje Boon doet al een decennium lang onderzoek naar de opslagfunctie van de aardbodem. Tijdens haar PhD aan Imperial College London en haar postdoc aan Stanford University, richtte ze zich op ondergrondse opslag van CO2. Om de mondiale klimaatdoelen te behalen, kunnen we niet zonder carbon capture and sequestration (CCS). Dit betekent zoveel als het afvangen van CO2 voordat het in de atmosfeer komt, en het dan transporteren naar een plek in de aarde waar het eeuwenlang opgeslagen blijft. Wetenschap en industrie zijn hier al ruim 20 jaar mee bezig. “Toch gaat de opschaling van CO2 opslag in de aardbodem helaas veel te langzaam”, zegt Boon, “de kennis en technologie zijn er, maar het struikelblok is beleid en regelgeving.”
Haar waardevolle onderzoekservaring naar ondergrondse CO2-opslag brengt Maartje Boon nu in bij het recent opgezette ADMIRE Hydrogen Lab. Er is wel een cruciaal verschil: terwijl CO2 liefst voor altijd in de bodem opgesloten moet blijven, is het opslaan van waterstof juist bedoeld als tijdelijke oplossing – totdat je het wilt gebruiken. Dus hier is de aarde geen opslagkamer, maar voorraadkast. En dat blijkt toch een heel andere tak van sport te zijn.
Simulator
“Het doel is om de waterstof die we in de aarde injecteren, er op termijn zo puur en zuiver mogelijk weer uit te kunnen halen,” zegt Boon, “en liefst ook zonder teveel verlies in kwantitatieve zin.” Wanneer waterstof geïnjecteerd zou worden in ondergrondse open ruimtes zoals zoutcavernes – een optie in het noorden van Nederland - is deze uitdaging het kleinst. Echter, een alternatief is om het poreuze gesteente van bepaalde geologische aardlagen te gebruiken als de waterstofvoorraadkast. Dit roept vragen op: hoe verplaatst het gas zich in dit gesteente, hoe ver verspreidt het zich, en vooral ook, hoezeer raakt het ‘vervuild’ als gevolg van mengen met de reservoir vloeistoffen en gassen die zich reeds in de poreuze aardlaag bevinden?
Om antwoorden te vinden op onder andere deze vragen, is universitair hoofddocent Hadi Hajibeygi twee jaar geleden een ambitieus onderzoeksprogramma, ADMIRE, gestart. Zijn specialisme is het ontwerpen van simulators waarin de aardbodem wordt nagebouwd, en die dus gebruikt kunnen worden om te onderzoeken hoe waterstof zich gedraagt in een ondergronds reservoir. “De betrouwbaarheid van de onderzoeksuitkomsten van dergelijke simulatoren, valt of staat met goede input parameters,” zegt Boon. En dat is precies waar zij zich mee bezighoudt: het bedenken en uitvoeren van experimenten waarmee steeds nauwkeuriger input parameters verkregen worden, om de modellen te optimaliseren – en zo een steeds waarheidsgetrouwer beeld te krijgen van wat er in de toekomst buiten de muren van het lab al dan niet mogelijk zal blijken.
Van één naar vele poriën
De experimenten worden bedacht om stap voor stap een beter beeld te krijgen van de complexe wisselwerking tussen de te injecteren waterstof, het bodemgesteente, en de reeds aanwezige reservoir vloeistoffen en gassen. Bij een van de experimenten die uitgevoerd wordt in het ADMIRE Hydrogen Lab wordt een model van glas gebruikt dat de structuur nabootst van poriën in poreus gesteente. Dit glas is gevuld met zout water, zoals ook in de bodem voorkomt, en vervolgens wordt er waterstof in geïnjecteerd. Op micrometer-schaal wordt gekeken hoe de waterstof en het zoute water zich door de poriën bewegen. Hierbij wordt de contacthoek tussen de zoutwater/waterstof interface en het glas gemeten omdat deze contacthoek de verdeling van het zoute water en het gas in de poriën bepaalt. En die verdeling heeft weer een grote invloed op hoe makkelijk het waterstof door de poreuze gesteenten stroomt. Het onderzoek heeft aangetoond dat waterstof zich vooral in de grote poriën zal bevinden. “Dit is een positieve uitkomst,” legt Boon uit, “omdat dit het gemak bevordert waarmee waterstof in het gesteente geïnjecteerd kan worden, en er bovendien minder waterstof in het gesteente zal achterblijven wanneer dit er voor gebruik weer uitgehaald wordt.”
Maar omdat de ondergrond natuurlijk niet bestaat uit egaal gesteente, is één dergelijk experiment niet voldoende. In vaktermen, legt Boon uit, is er in de geologische aardlagen sprake van meerdere “scales of heterogeneity”. Binnenkort start daarom een nieuw experiment waarbij de blik wordt verruimd van de micrometer schaal naar de centimeter schaal. De hamvraag is: hoe gedraagt het waterstof zich dan? In het ontwerp van dit tweede experiment heeft Boon een medische CT scanner ingezet, die de distributie van het zoute water en het waterstof in echt reservoir gesteente kan visualiseren. Er zal gemeten worden hoe de injectiviteit en de ‘trapping’ van het waterstof wordt beïnvloed bij het gebruik van gesteentes met verschillende heterogene structuren. En daarna liggen er nog vele vragen te wachten op nieuwe experimenten. Niet in het minst: is er een mogelijkheid dat waterstof, het kleinste molecuul, door de zogenoemde top seal van hard gesteente kan komen, en dus ontsnappen uit het ondergronds reservoir?
Voorloper
Met het onderzoek naar ondergrondse opslag van waterstof bevindt de onderzoeksgroep van universitair hoofddocent Hajibeygi zich in een internationale voorhoede. Vanuit de hele wereld zullen in juli van dit jaar mensen samenkomen in Delft voor de allereerste International Summer School on Underground Hydrogen Storage, georganiseerd door de Delftse onderzoeksgroep. Wetenschappers uit het voor dit onderwerp zeer relevante internationale netwerk van Boon zullen deelnemen, maar ook experts uit de industrie die betrokken zijn bij pilot projecten voor ondergrondse waterstofopslag, zoals in Argentinië en Oostenrijk. En, met de les over de trage opschaling van CO2-opslag in het hoofd, hebben Boon en collega’s bovendien bewust ingezet op het betrekken van Europese beleidsmakers bij het evenement.
Dat wetenschap en beleid voor een effectieve aanpak van de klimaatcrisis niet zonder elkaar kunnen, is een feit. Dat vrouwelijke wetenschappers zoals Maartje Boon hierbij soms het voortouw nemen, is een groot goed. Gewend om net als haar mannelijke collega’s op haar wetenschappelijke merites beoordeeld te worden, ziet zij haar rol niet als uitzonderlijk, ook al is het vakgebied van de aardwetenschappen nog steeds overwegend een mannenwereld. “In Stanford was dat niet anders,” zegt Boon, “maar daar had ik wel een inspirerend rolmodel.” Die supervisor voor haar postdoc, Sally Benson, is recentelijk benoemd tot deputy director for energy and chief strategist for the energy transition voor het White House Office of Science and Technology Policy. Als het aan Benson en Boon ligt, wordt de grond onder onze voeten een uitdagende hoofdrolspeler in de transitie naar een duurzamer energiesysteem.
-- door dr. Ellen Lammers, 3-3-2022