Waar sla je overtollige windenergie op als het lekker waait en windmolens overuren draaien? In de ondergrond, zegt ingenieur Hadi Hajibeygi van de TU Delft. Gebruik het overschot aan duurzame energie om water te splitsen in zuurstof en waterstof, en bewaar de waterstof als reservevoorraad energie voor windstille dagen, is daarbij het idee. De ondergrond is dan de ideale opbergplek. Geo.brief zocht hem (via een online gesprek) op.

Of en hoe zijn plan veilig en efficiënt in de praktijk valt te brengen onderzoekt Hajibeygi in het project ‘ADMIRE’ (Adaptive Dynamic Multiscale Integrated Reservoir Earth) waar hij afgelopen jaar een NWO VIDI-beurs voor ontving.

 

In hoeverre is waterstof opslaan in de ondergrond vergelijkbaar met CO2 opslaan in de ondergrond?

“Er zijn veel overeenkomsten. In beide gevallen heb je een plek nodig waar veel ruimte is en het gas niet kan ontsnappen. Het grote verschil is dat we CO2 opslaan om er vanaf te zijn, terwijl het bij waterstof om tijdelijke opslag gaat. Dat willen we op elk gewenst moment weer omhoog kunnen halen. CO2 moet je zien als afval, waterstof eerder als goud. We hebben dus locaties nodig die bestand moeten zijn tegen cyclische belasting, omdat je ze nu eens wilt bijvullen en dan weer wilt leeghalen.

Waterstof, gesteente en onderzoeker Hadi Hajibeygi in de CT-scanner in Delft.
Foto: Story of Science, CiTG Faculty, TU Delft

Aan wat voor locaties denk je dan?

“Er zijn verschillende mogelijkheden, welke het meest geschikt zijn hangt af van de context. Ik vergelijk het vaak met het opbergsysteem bij je thuis. Dingen die je vaak gebruikt liggen voor het grijpen in laden en kasten. Op zolder liggen de spullen die je iets minder vaak nodig hebt. En wat je niet gebruikt maar wel wilt bewaren, heb je misschien in dozen naar een opslagruimte gebracht.

Voor waterstof lijken zoutkoepels het meest geschikt als plaatselijke opslagtank, waar je kleine voorraden telkens af kan tappen en bij kan vullen. Voor de grotere, wat langere opslag – bijvoorbeeld een seizoensvoorraad voor het hele land – zou je uitgeproduceerde gasvelden kunnen gebruiken. Voor een nog grotere, stabiele voorraad zijn zoute aquifers misschien geschikt. Maar alles hangt natuurlijk af van hoe de waterstof zich in de ondergrond gedraagt, en hoe het met het omringende gesteente reageert. Dat is dus ook wat we aan het onderzoeken zijn.”

 

 Voor CCS, carbon capture and storage, kijkt men niet naar zoutkoepels, toch?

“Nee, niet echt. Zoutkoepels zijn ondergrondse open ruimtes, ontstaan door de winning van zout uit de Zechsteinlagen. Hiervoor pompt men zoet water de grond in, en haalt het als pekelwater weer omhoog. Nederland heeft capaciteit voor honderden van zulke zoutcavernes, elk met een volume van bijna 500 duizend kubieke meter – miljoenen liters dus. Ideaal voor plaatselijke opslag. CCS in zulke holtes is te duur – maar voor waterstof is de economische afweging anders. Dan is het geen dumpplek voor je afval, maar eerder een bank om je spaargeld op te slaan. Voordeel is ook dat er zoutsteen onder de Noordzee zit, en juist daar windparken komen.

Maar we moeten dus nog veel uitzoeken, hè? Bij zout heb je bijvoorbeeld te maken met creep, visco-elastisch-plastisch, non-lineair, tijdafhankelijk gedrag. Mooie wetenschappelijke uitdaging.”

Voor waterstof lijken zoutkoepels het meest geschikt als plaatselijke opslagtank.

Hadi Hajibeygi

Wat voor onderzoek doen jullie precies?

“We doen vooral onderzoek aan de deformatie van gesteenten. We berekenen bijvoorbeeld hoe die zich gedragen bij cyclische belasting – dus in de praktijk bij het beurtelings toevoegen en weer wegnemen van waterstofgas. Een belangrijke vraag daarbij is welke parameters het belangrijkst zijn om het risico bij waterstofopslag in te schatten. Dit doen we met behulp van computermodellen.

Nu leveren dat soort modellen alleen betrouwbare resultaten op als de parameters die je er in stopt kloppen met de werkelijkheid. Maar we kwamen erachter dat er in de literatuur maar heel weinig gegevens te vinden zijn over het gedrag van waterstof in gesteente. Daarom doen we ook dat soort experimenten nu zelf, in een laboratorium dat wij met collega’s hebben opgezet. Het laatste artikel dat de deur uit ging, ging over de interactie tussen waterstof en gesteente bij een druk tot honderd bar en een temperatuur tot vijftig graden Celsius.

Ik ben zelf modelleur, maar loop nu ook vaak in het lab rond. Ik vind dat leuk. Laatst was iedereen geobsedeerd door een watergasbel die leek te verdwijnen en toen opeens weer tevoorschijn kwam. Echt fascinerend – want waarom gebeurt zoiets? Het bleek in dit geval overigens door een hapering van de camera te komen.

Zo wil ik ook graag eens met mijn geologie-collega’s het veld in. Zij dringen daar zelf op aan, maar de coronapandemie staat die plannen vooralsnog in de weg.”

 

Wordt er momenteel al ergens ter wereld waterstof ondergronds opgeslagen?

“Jazeker, maar niet op grote schaal en niet cyclisch. Ik denk dat er in totaal vier projecten met waterstofopslag in zoutkoepels zijn. Sinds 1972 gebeurt dit al in Teesside in Engeland, er zijn een of twee projecten gaande in Texas, en in Groningen zijn ze met een veelbelovende pilot bezig. Waterstofopslag in verlaten gasvelden wordt momenteel ontwikkeld en getest in Oostenrijk.”

Hadi Hajibeygi
Foto: CiTG Faculty, TU Delft

Is waterstof opslaan in de ondergrond niet gevaarlijk?

“Vrijwel elke technologie gaat gepaard met risico’s. Het geldt voor autorijden, medische ingrepen… zelfs voor koffie drinken! Mensen zijn voortdurend voordelen aan het afwegen tegen gevaren. Dat geldt voor waterstofopslag dus ook. Maar we slaan ook op dit moment al gas op in de bodem natuurlijk: in Alkmaar, Bergermeer, Norg, Rijswijk. Dat gaat prima.

Het voordeel van waterstof is vooral dat we uiteindelijk zelf kunnen kiezen waar we het opslaan. Als de Groningers geen aardgaswinning meer willen in hun provincie kunnen we er wel mee ophouden, maar de winning niet zomaar verhuizen. Voor de opslag van waterstof hebben we de mogelijkheid om risicovolle locaties te mijden, en de beste locaties te selecteren. Dat moet natuurlijk wel in goed overleg met burgers ter plekke gebeuren – en dan bedoel ik écht overleg, door ze er vanaf het begin bij te betrekken. Als we eenmaal een plek gekozen hebben moeten we blijven monitoren wat er gebeurt – en meteen ingrijpen als het de verkeerde kant op lijkt te gaan. Als je geld op de bank zet, is het immers ook geen goed idee er nooit meer naar om te kijken?

Uiteindelijk wil je niet alleen weten waar je het waterstof veilig kan opslaan, maar ook waar je het zo puur mogelijk weer kan terugwinnen. Bij opslag in lege gasvelden is een van de vragen dus of het waterstof niet gaat mixen met reservoirvloeistoffen, en of er geen chemische reacties gaan optreden.”

 

Oké, maar als het toch ontsnapt, wat dan?

“Waterstofmoleculen zijn heel licht en vluchtig. Als die op een of andere manier wegsijpelen, zullen ze zich snel verspreiden en zullen wij er weinig van merken. Maar als het in een grote hoeveelheid door een barst naar buiten zou komen is dat natuurlijk anders, dan komt het in de bodem terecht. Of dat de microbiologie verstoort kan ik niet zeggen, dat is niet onze expertise, daar doen anderen onderzoek naar. Pure waterstof komt van nature zelden in de bodem voor, dus je wilt wel weten wat het doet als het er toch terecht komt.

Als het rechtstreeks de lucht in gaat is het wel gevaarlijk. Het is brandbaar spul, als het met zuurstof in aanraking komt is er ontploffingsgevaar. Daarom zeg ik ook: je moet voortdurend blijven monitoren. Als je de druk ziet dalen en je weet niet waarom, moet je onmiddellijk stoppen met waterstof injecteren, en het juist weer terughalen.”

Het voordeel van waterstof is vooral dat we uiteindelijk zelf kunnen kiezen waar we het opslaan.

Hadi Hajibeygi

Neemt waterstof veel ruimte in, als je het afzet tegen de hoeveelheid energie die het bevat?

“Ja, dat wel. Een kuub waterstof bevat drie tot vier keer minder energie dan een kuub methaan – namelijk 132 kWh bij vijftig bar en vijfentwintig graden Celsius. Ter vergelijking: een Tesla-batterij kan ongeveer honderd kWh opslaan.

Om die reden wordt ook groene methaan trouwens als een belangrijk gas voor de energietransitie gezien. Het idee daarbij is om wind- en zonne-energie te gebruiken om CO2 en waterstof om te zetten in methaan, in een proces dat biomethanation wordt genoemd. Je kan het zien als een soort omgekeerde verbranding, omdat het CO2 consumeert. De ondergrondse reservoirs zouden daarbij als bio-reactor kunnen fungeren, waar de methaan uit H2 en CO2 wordt gemaakt.”

 

Ik las dat je dit jaar ook nog eens een onderwijsprijs hebt gewonnen, je bent de ‘Most Innovative Teacher of the Year’. Wat is het geheim achter al dat succes?

“Mijn uitgangspunt is dat goed onderwijs niet alleen een kwestie is van goede cursussen aanbieden, maar vooral ook van een geschikte omgeving creëren. Vergelijk het met tuinieren: jouw taak is daarbij om te zorgen voor goede omstandigheden en een vruchtbare bodem. Geef je planten zon, water en nutriënten – en dat alles op het juiste moment – en ze zullen floreren. Elk op hun eigen manier.

Als ik terugdenk aan mijn eigen studietijd, kan ik de inhoud van de meeste cursussen niet meer reproduceren, en me zelfs een groot deel van de docenten niet meer herinneren. Het gaat niet zozeer om wat je precies hebt geleerd, als wel om hoe je je ontwikkeld hebt.

Het is daarom belangrijk om een gemeenschap te bouwen waar studenten niet alleen in contact staan met elkaar en met hun docenten, maar ook met mensen uit de industrie en met beleidsmakers. Zo’n netwerk, waar ze altijd deel van uit blijven maken, is de basis van een levenslange leeromgeving.  Dat houdt niet op na hun studententijd.

In mijn onderzoeksgroep staan de studenten centraal. Zij zijn er niet om mij te helpen met mijn onderzoek, ik ben er om hen te ondersteunen bij hun ontwikkeling tot wetenschapper.

En je moet oog hebben voor de student als mens. Als iemand veel te laat komt opdagen kan je zeggen: ’Hé, je bent te laat!’, maar ook: ‘Goh, was er iets aan de hand? Hoe is het eigenlijk met je?’”

Waterstofbellen in pekelvloeistof aan de onderkant van een (Bentheim) zandsteemmonster.
Foto: CiTG Faculty, TU Delft. Uit: Hashemi et al., 2021. doi: doi.org/10.1016/j.advwatres.2021.103964

Ik heb vaak het idee dat ingenieurs erg optimistisch zijn en denken de wereld naar hun hand te kunnen zetten, terwijl geologen intussen waarschuwen voor alle onzekerheden en risico’s. U werkt op het snijvlak van deze vakgebieden. Herkent u wat ik zeg?

“Het is een van de redenen waarom samenwerken zo belangrijk is. Het optimisme van ingenieurs heeft ons veel vooruitgang gebracht. Dat we overal heen kunnen vliegen komt doordat er ooit mensen een eerste vliegtuig bouwden en er mee de lucht in gingen – al weten we nog altijd niet precies hoe turbulentiestroming werkt. Aan de andere kant kan je achter je computer prachtige dingen uitdenken, maar weten aardwetenschappers als geen ander dat de echte wereld niet altijd in modellen te vangen is. En hoeveel er nog onbekend is! Soms is het alsof je een plattegrond van een stad zit te maken, terwijl je alleen de weg kent die je in de taxi van het vliegveld naar het hotel hebt afgelegd.  Maar je hebt beide benaderingen nodig. We kunnen niet wachten tot we echt alles weten, maar moeten ook geen overhaaste beslissingen nemen.”

 

En dit waterstofplan? Wordt dat een succes?

“Ja, daar ben ik van overtuigd. Binnen tien jaar is het een belangrijk onderdeel van de energietransitie geworden. En de afloop van het tijdperk van de fossiele brandstoffen betekent dus niet het einde van de aardwetenschappen!”

 

Marlies ter Voorde

CV Hadi Hajibeygi 

Hadi Hajibeygi studeerde werktuigbouwkunde aan de Sharif University in Teheran en promoveerde bij de ETH Zürich op vloeistoftransport in poreuze media. Hij werkte vervolgens aan Stanford University in de Verenigde Staten aan multischaalmodellen voor meerfasenstroming in poreuze media, en kwam uiteindelijk in 2013 bij de Technische Universiteit in Delft terecht.

Dit voorjaar won hij de InterPore Award for Poreus Media research, die jaarlijks wordt uitgereikt door de internationale vereniging voor onderzoek aan poreuze materialen.