Witte waterstof: geologische curiositeit of gamechanger?

Er is tegenwoordig veel belangstelling voor witte waterstof: waterstof die van nature in de ondergrond voorkoment. Wat zou het mooi zijn als men dat op een vergelijkbare manier zou kunnen winnen als aardgas. Dat lijkt helaas niet het geval te zijn.

Waterstof gaat deel uitmaken van ons toekomstige, schone energiesysteem. De verbranding van waterstof gaat, in tegenstelling tot de verbranding van aardgas, niet gepaard met de uitstoot van CO₂. Waterstof zal worden toegepast waar bepaalde kenmerken van het materiaal doorslaggevende voordelen heeft ten opzichte van hernieuwbare elektriciteit. Dat betreft zaken als relatief makkelijk te vervoeren of op te slaan en een relatief hoge energiedichtheid per kg. Voor welke toepassingen dat precies het geval zal zijn is nog onduidelijk en zal voor een groot deel afhangen van de toekomstige kosten van waterstof. Het ligt voor de hand dat “hard-to-abate” industriële processen hiertoe zullen behoren.

Op dit moment wordt er jaarlijks ongeveer 100 megaton waterstof geproduceerd (equivalent aan 3% van de energie behoefte van de wereld). In 2050 zou deze productie vijf maal zo groot kunnen zijn. Dit is nu nog vrijwel uitsluitend grijze waterstof, gemaakt door methaan te splitsen met stoom. De productie van groene waterstof, gemaakt door water te splitsen via elektrolyse (waarbij de stroom afkomstig is uit hernieuwbare bronnen), is nog nauwelijks op gang gekomen. Jammer genoeg leveren de huidige manieren om waterstof te maken veel CO₂ op (grijze waterstof) of kost het veel energie en is het relatief duur (groene waterstof). Blauwe waterstof (waarbij de bij de aanmaak van grijze waterstof vrijgekomen CO₂ opgevangen en opgeslagen wordt) zit daar, zowel qua CO₂-uitstoot als qua kosten, tussen in.

Vandaar de belangstelling voor witte (natuurlijke, in de ondergrond voorkomende) waterstof. Wat zou het mooi zijn als men dat op een vergelijkbare manier zou kunnen winnen als aardgas. Het zou waterstof promoveren van energiedrager naar primaire energiebron. En het zou nog betaalbaar zijn ook! De laatste tien jaar wordt dan ook, met het op gang komen van de energietransitie, het potentieel van witte waterstof enthousiast onderzocht door onderzoeksinstellingen en bedrijven. Het laatste jaar ging dat gepaard met een kleine stortvloed aan artikelen in de media. Die artikelen benadrukken veelal de hoeveelheid witte waterstof die gegenereerd wordt in de aarde en de mogelijk relatief lage productiekosten.

In dit artikel wordt een aantal kritische kanttekeningen bij het enthousiasme voor witte waterstof geplaatst. Eerst wordt een kort overzicht gegeven van ondergrondse waterstofsystemen; hoe waterstof in de aarde gevormd wordt, hoe het zich verplaatst en hoe het gepreserveerd zou kunnen worden. Waar wordt waterstof gevonden, hetzij gevangen in de ondergrond, hetzij ontsnappend aan het oppervlak? Wat voor werk wordt er gedaan om een beter begrip te krijgen van het waterstofsysteem en wat heeft er plaats gevonden aan exploratie naar waterstof? Vervolgens wordt er een inschatting gemaakt hoeveel potentieel de productie van witte, natuurlijke waterstof heeft en of er enige kans is dat dit ooit in op globale schaal betekenisvolle volumes kan worden geproduceerd. Spoiler: dat lijkt niet het geval te zijn.

Er wordt veel waterstof aangemaakt in de ondergrond

Er is een aantal manieren waarop witte waterstof wordt gevormd. Een belangrijke lijkt de reactie tussen ijzerhoudend gesteente en water te zijn. Zo leidt bijvoorbeeld de reactie tussen olivijn en water tot de vorming van serpentiniet en waterstof. Dergelijke reacties vinden in een aantal tektonische settings plaats. Bij mid-oceanische ruggen, waar nieuw oceanisch plaatmateriaal wordt aangemaakt betreft het de serpentinisatie van olivijn. Veelal ontsnapt deze waterstof via hydrothermale vents of wordt het verbruikt door microben in de nabijheid van deze vents (iets dat veel is onderzocht omdat het leven op aarde hier mogelijk ontstaan is).

Deze serpentinisatie met de bijbehorende generatie van witte waterstof is ook bekend van verschillende ophiolieten (oud oceanisch plaatmateriaal dat geïncorporeerd is in continenten), zoals het eeuwig vuur van Chimaera in de Turkse Tekirova ophioliet zone waar ongeveer 5.000 kilogram methaan-waterstof mix per vierkante kilometer per dag uit de grond komt, in de Bulqizë chromiet mijn in Albania, de Semail ophioliet in Oman en de zuidelijke Pyreneeën. Een andere, belangrijke locatie van witte waterstof is die waar oude, ijzerrijke formaties (inclusief de zogenaamde Banded Iron Formations) in zeer oude “kratons” geoxideerd worden (bv. Mali en Zuid- en West Australië).

Witte waterstof kan ook gerelateerd zijn aan fossiele brandstoffen, hetzij als laat (hoge temperatuur) product, nadat er eerder olie, gas en kolen gevormd zijn, hetzij als geadsorbeerde moleculen in organisch materiaal, in met name kolen (bv in Lotharingen). Ook het stadsgas dat tot de jaren ‘60 in Nederland gemaakt werd door kolen te verhitten, bevatte naast methaan waterstof.

Een andere, mogelijk significante, bron van natuurlijke waterstof kan de ontgassing van geologisch zeer oude (“primordial”) waterstof zijn, vanuit enige honderden kilometers diepte in de aarde. Tenslotte is er nog radiolyse, waarbij watermoleculen gesplitst worden ten gevolge van natuurlijke radioactiviteit. Dit zou bijvoorbeeld plaats kunnen vinden in uranium-rijke granieten.

In tegenstelling dus tot methaan, dat vrijwel uitsluitend gevormd wordt uit omzetting van organisch materiaal, zijn er vele processen waardoor witte waterstof ontstaat. De Geological Survey van de USA berekende een wereldwijde, jaarlijkse waterstofflux uit de aarde van 23 megaton (met een grote onzekerheidsmarge). De belangrijkste boodschap hier is dat de vorming van waterstof geen beperkende factor is voor het potentieel van natuurlijke waterstof. Als ook maar een kleine fractie van alle waterstof die in het verleden is aangemaakt, bewaard en winbaar zou zijn, zou dat genoeg zijn om ons voor lange tijd te voorzien van alle benodigde waterstof.

Terwijl de vorming van waterstof op andere wijzen en in andere settings plaatsvindt dan die van methaan, vindt het zich verplaatsen (“migratie”) wél op vergelijkbare wijze plaats, hetzij in gasvorm (waarbij de relatief lage dichtheid belangrijk is), hetzij opgelost in formatiewater. En net als methaan kan waterstof ondoordringbare lagen tegenkomen waaronder het, net als methaan, zou kunnen worden opgevangen (“trapping”). Eén van de verschillen met methaan is echter dat waterstof veel makkelijker ontsnapt ten gevolge van de kleinere dimensies van het waterstofmolecuul. Positief is dat we weten dat helium, met een vergelijkbare molecuulgrootte, kan worden opgevangen onder zoutlagen.

In algemene termen kan gesteld worden dat de kritische factor voor het potentieel van waterstof niet de vorming is maar de trapping en preservatie in de ondergrond. Ten opzichte van methaan staat waterstof hier op twee manieren op achterstand: het ontsnapt veel makkelijker (wat in geval van zoutlagen geen showstopper zou moeten zijn) en het wordt veel makkelijker afgebroken. Omzetting kan plaats vinden op biologische wijze, door microben, of door reacties met gesteenten (met koolstof vormt het methaan, met zuurstof vormt het water, etc.).

Op heel veel plekken ontsnapt witte waterstof aan het oppervlak; op zeer weinig plekken worden accumulaties gevonden

De vents bij mid-oceanische ruggen bevatten waterstof. Winning, op een diepte van enige kilometers onder het zeeniveau, is echter commercieel verre van aantrekkelijk. Daarnaast heeft onderzoek in het afgelopen decennium veel beter in kaart gebracht waar waterstof op land ontsnapt. “Fairy circles” (ovaalvormige structuren met een, door ontsnappende gassen waaronder waterstof, anomale vegetatie) met een diameter van enige tientallen meters tot enige kilometers, worden op steeds meer plekken op aarde herkend. Maar ook hier lijkt commerciële productie, gezien de diffuse ontsnapping aan het aardoppervlak, geen reële optie.

Onderzoek naar het potentieel van waterstof concentreert zich op ondergrondse accumulaties en hier doet zich een probleem voor: deze accumulaties zijn tot nu toe nauwelijks gevonden. De paar die er gevonden zijn, vaak al decennia geleden en per toeval, staan wel zeer in de publiciteit. We noemen hier de bekendste.

In 1987 trof men in een put in Mali, die geboord werd om water te produceren, waterstof aan op een geringe diepte. Sinds 2011 heeft deze put een aantal jaren waterstof geproduceerd voor de lokale productie van elektriciteit en zijn er een aantal additionele putten bij geboord waarin ook waterstof werd aangetroffen. De productie was kleinschalig; met een flow rate van 1.500 kubieke meter per dag kwam dit qua energie overeen met een productie van slechts 3 vaten olie per dag.

Ten zuiden van de Pyreneeën wil het bedrijf Helios-Aragon in 2024 de Monzon-2 put boren. Dit is in de nabijheid van de Monzon-1 put die in 1963 al hoge concentraties witte waterstof te zien gaf op een diepte van 3.600 meter onder een zoutlaag. Het bedrijf heeft het over 1 megaton tot 10 megaton exploiteerbare waterstof.

In het Yorke schiereiland in Zuid-Australië (het Gawler kraton) wordt een vergelijkbaar appraisal programma uitgevoerd: hier heeft Gold Hydrogen in 2023 de Ramsay-1 en Ramsay-2 putten geboord, in de nabijheid van de Ramsay Oil Bore-1 en de American Beach-1 putten. Hierin werden ongeveer 100 jaar geleden al hoge concentraties waterstof aangetroffen. De focus in 2024 ligt erop een beter begrip te krijgen van de grootte van het veld en de scope voor een beperkte ontwikkeling op lokale schaal. Het is echter niet uitgesloten dat een uiteindelijke ontwikkeling zich zal richten op het helium dat hier ook gevonden is.

In Kansas en Nebraska onderzoeken HyTerra en Natural Hydrogen Energy het potentieel voor waterstofwinning in een gebied rond de ondergrondse Nemaha Ridge waar in de jaren ‘80 waterstof werd aangetroffen in putten die zich richtten op olie en gas. In een eerste put, geboord in 2019 (Hoarty-NE3), werd weliswaar waterstof aangetroffen, maar het is onduidelijk hoeveel potentieel er is voor een commerciële winning. Blijkbaar waren de resultaten toch niet zo goed dat het makkelijk was opvolgende financiering te verkrijgen. In 2023 is er met geld van een nieuwe partner wel een flow test verricht, maar de resultaten hiervan zijn niet openbaar.

In Noordoost-Frankrijk is waterstof aangetroffen in laag-permeabele (weinig doorlatende) kolenlagen. Het gas dat hier is aangetroffen, op een diepte van enige honderden meters tot ongeveer 1 kilometer, is voornamelijk methaan met 12%-15% waterstof. Omdat de concentratie waterstof toeneemt met de diepte, verwacht men veel hogere concentraties aan te treffen op grotere dieptes (men speculeert over een concentratie van 90% op 3 kilometer diepte).

Het potentieel om hieruit grootschalig waterstof te produceren wordt in de olie- en gas-wereld echter met de nodige scepsis bezien. Productie op een geringe diepte van enige honderden meters is in principe mogelijk met methodes zoals die voor coalbed methane extraction worden gebruikt. Dit vereist wel grote hoeveelheden putten en de verwerking van grote hoeveelheden mee-geproduceerd water.

Productie op grotere dieptes zal, gezien de lage doorlatendheid, grootschalige stimulatie door fracking vereisen. Voor methaan is een dergelijke productie op dit soort dieptes in kolenlagen nooit gerealiseerd. Ook in-situ verbranding van fossiele brandstoffen resulteert in waterstof (“syn-gas”) dat theoretisch gezien gewonnen zou kunnen worden door productieputten. Problemen met deze ondergrondse verbranding zijn de kosten en de operationele complexiteiten (bijvoorbeeld het onder controle houden van het ondergrondse verbrandingsfront). Afgezien van deze technische problemen is schaliegas (methaan) uit laag-permeabele zanden een commercieel veel aantrekkelijker propositie.

Onderzoek en exploratie zijn beperkt op gang gekomen

Een beperkt aantal onderzoeksinstituten is al langer bezig om een beter begrip te krijgen van de verschillende waterstofsystemen. Een bekend voorbeeld is het project aan de Universiteit van Pau in Frankrijk onder leiding van Isabelle Moretti, mede gesteund door energiebedrijf Engie. Wie een goed overzicht wil kan overwegen haar AAPG Distinguished Lecture over witte waterstof te bekijken. Ook de USGS (US Geological Survey) heeft een programma lopen.

Daarnaast is er een aantal relatief kleine startups die zich richten op het evalueren (“appraisal”) van bestaande waterstofvondsten. Hierboven werden al genoemd Gold Hydrogen in Australië, Hydroma in Mali, Helios-Aragon in Spanje en Hyterra in de USA. Al deze relatief kleine bedrijven focussen op appraisal van reeds bestaande waterstofvondsten. Die vondsten waren in alle gevallen het resultaat van “serendipity”, het bij toeval aantreffen van waterstof terwijl men er niet naar op zoek was. Deze bedrijven zoeken niet naar nieuwe voorkomens.

Er is zelfs sprake van “enhanced” wittewaterstofproductie: water zou geïnjecteerd kunnen worden in ijzerrijke formaties, waarna de gevormde witte waterstof gewonnen zou kunnen worden. Er is een test gepland in Oman. Het grote probleem hierbij is de benodigde permeabiliteit, die er veelal niet is en heel moeilijk te genereren is.

Tot nu toe zijn de grote olie- en gasproducenten mondjesmaat bereid geweest onderzoek te steunen, maar geen van hen is er toe over gegaan een exploratiecampagne op te starten en putten te boren.

Het potentieel voor productie van witte waterstof is klein

Er zijn allerlei redenen te bedenken waarom er (nog) geen grote waterstof-accumulaties gevonden zijn. Zo is witte waterstof  voornamelijk geassocieerd met geologische gebieden waar de olie- en gasindustrie weinig actief is; men was er niet naar op zoek; in de olie-gas-water putten werd geen meetapparatuur gebruikt die waterstof kon detecteren, de grote olie- en gas producenten zijn zeer conservatief, etc. Er is waarschijnlijk een veel simpelere reden waarom er nauwelijks waterstof gevonden is: grote accumulaties zijn gewoon zeer zeldzaam.

Er zijn twee aspecten waarmee waterstof op achterstand staat ten opzichte van methaan: waterstof ontsnapt makkelijker en waterstof wordt makkelijker afgebroken (hetzij door reacties met gesteenten en ondergrondse vloeistoffen, hetzij door microben). Wat migratie en diffusie betreft: er zijn heel veel plaatsen gevonden waar waterstof uit de bodem ontsnapt. Wat preservatie betreft, er zijn vrijwel geen significante accumulaties in de ondergrond gevonden: de afbraak door microben is onder sommige omstandigheden, zoals bij de opslag van waterstof in lege gasvelden, al een issue op een menselijke tijdsschaal, laat staan op geologische tijdsschaal.

Waterstof wordt, in vergelijking met methaan, moeilijker gevangen onder een structuur van kleilagen. Maar zout zou ook voor waterstof een goed functionerende afsluitende toplaag moeten zijn, zoals het dat ook voor helium is. Het heliummolecuul heeft een vergelijkbare afmeting als het waterstofmolecuul en er zijn genoeg voorbeelden van helium in gas-accumulaties onder zout (lang niet zoveel als aardgasvelden, maar helium wordt dan ook in veel kleinere hoeveelheden gegenereerd).

Waarom wordt er dan toch nauwelijks waterstof onder zout aangetroffen? Het klopt dat mudlogging units dit normaliter zullen missen, maar de CNL-tool (Composite Neutron Log), die routinematig over reservoirintervallen wordt gebruikt, en meer geavanceerde vloeistofsampling, zouden waterstof gezien moeten hebben. Daarnaast: er zijn duizenden, zo niet tienduizenden gasvelden waar zout de afsluitende laag vormt en zelfs als waterstof tijdens de exploratiefase zou zijn gemist, zou dit tijdens een test of tijdens de productiefase duidelijk moeten worden. Geconcludeerd kan worden dat het er gewoon niet is. Het gemak waarmee waterstof naar het aardoppervlak migreert en de grote snelheid waarmee waterstof in de ondergrond wordt afgebroken door microben en reageert met koolstof en zuurstof, zijn hiervoor plausibele redenen. In de woorden van Chris Ballentine tijdens een lezing aan de universiteit van Oxford: “The microbes were there first”.

Dit alles betekent niet dat er op een aantal locaties geen kleinschalige productie van waterstof van de grond zal komen. Maar dit zal wel voornamelijk op plaatsen gebeuren waar waterstof al – “per ongeluk” – is aangetroffen in putten die oorspronkelijk als doel hadden om olie, gas of water te vinden. Mogelijk zullen ook een aantal seeps (natuurlijke lekkages aan het oppervlak) geëxploiteerd kunnen worden voor lokaal gebruik. Zoeken naar nieuwe waterstof accumulaties is op dit moment niet aan de orde omdat er simpelweg nog geen commercieel aantrekkelijke exploratiewerkwijze bestaat. Het is als het zoeken naar een naald in een hooiberg. Mocht men er een vinden, dan is dat een goedkope naald. Maar dat betekent nog niet dat het zoeken naar een naald in een hooiberg een aantrekkelijk business model is.

Een beter begrip van het waterstofsysteem zou wellicht kunnen leiden tot een grotere kans om seeps en kleinere voorkomens op relatief geringe diepte te vinden. Maar de scope voor grote accumulaties lijkt, met alle olie- en gasputten die er wereldwijd al naar prospects of velden onder zout zijn geboord, zo goed als nihil. Happy to be proven wrong en met die gedachte in het achterhoofd verwelkomen wij verder onderzoek.

Wat Nederland betreft, TNO bestudeert de potentiële aanwezigheid van waterstof in de Nederlandse ondergrond, specifiek de mogelijke associaties met steenkool en, in de overzeese Caraïbische gebieden, met vulkanische gesteenten. Desalniettemin gaf Minister Jetten recent al aan, in antwoord op Kamervragen, dat hij de kans op het voorkomen en produceren van witte waterstof in Nederland bijzonder klein acht.

De media over witte waterstof

Eigenlijk is er de afgelopen tien jaar, qua geologie, niet zo gek veel veranderd in de kennis over waterstofsystemen in de ondergrond. Veel van de grote olie- en gasbedrijven tussen 2015 en 2020 hebben, met het op gang komen van de energietransitie, gekeken naar het potentieel van witte waterstof. En zij hebben daarbij een vergelijkbare inschatting gemaakt als in dit artikel.

Deze olie- en gasbedrijven bedrijven zijn niet risico-avers. Zij zijn bereid grote bedragen te besteden aan exploratie-campagnes met een kleine kans op succes – mits de winst die gemaakt kan worden in geval van een succes maar hoog genoeg is om de lage kans op succes te rechtvaardigen. En dat is voor witte waterstof niet het geval, iets dat tot op de dag van vandaag niet is veranderd.

Wat wel veranderd is, is de aandacht van de media. Die is in 2023 geëxplodeerd. Hieraan ligt geen geologische doorbraak ten grondslag, maar eerder de irrationele hoop op een schone, primaire energiebron. De media-aandacht lijkt het gevolg te zijn van de vruchtbare bodem bij lezers waarop deze artikelen vallen (“wat zou het mooi zijn als dit zou werken”) en een zeker groepsgedrag van journalisten: zodra er een kritische massa aan artikelen over een onderwerp verschenen is, ontstaat er vaak een sneeuwbaleffect.

Voor aardwetenschappers die aan dit onderwerp werken is dit wel een uitdaging. Het is mooi als er wordt geschreven over een onderwerp dat iemand na aan het hart ligt. Het wordt ongemakkelijker als deze artikelen een rol gaan spelen bij het verkrijgen van financiering voor onderzoek of voor exploratie. Het kan zeer ongemakkelijk voelen als er in de artikelen verwachtingen worden gewekt waarvan men weet dat die naar alle waarschijnlijkheid niet kunnen worden waargemaakt.