Hydrogen mon amour

Stel je een toekomst voor waarin de energie van de wereld grotendeels afkomstig is van de zon en de wind. Dit is een doel waar veel landen naartoe werken, maar deze bronnen hebben een natuurlijk ritme: de zon schijnt niet 's nachts en de wind waait niet altijd. Wanneer het weer kalm en donker is gedurende meerdere dagen achter elkaar, krijgt het elektriciteitsnet te maken met een tekort. Om de lichten aan te houden, hebben we een manier nodig om energie op te slaan voor die zeldzame, moeilijke perioden. Een idee is om waterstof te gebruiken, een gas dat gemaakt kan worden van water met behoud van elektriciteit, dat langdurig opgeslagen kan worden en dat vervolgens weer kan worden omgezet in vermogen wanneer dat nodig is. Echter, het maken van dit gas, het transporteren ervan en het terug omzetten naar elektriciteit is een proces waarbij veel energie verloren gaat en dat nog steeds vervuiling kan veroorzaken als het niet zorgvuldig gebeurt. Wetenschappers stellen nu een andere vraag: in plaats van dit brandstof te vervaardigen, zouden we de energie al ondergronds kunnen vinden, wachtend op ons?

Deze vraag vormt de kern van een nieuw essay door natuurkundigen Christophe Grojean en Patrick Janot, die onderzoeken hoe de FCC, een enorme deeltjesversneller, zichzelf zou kunnen voeden zonder zwaar te leunen op kernenergie. De FCC is een geplande machine die de kleinste bouwstenen van het universum zal bestudelen, maar zal ook een enorme hoeveelheid elektriciteit nodig hebben — ongeveer 1,3 terawattuur per jaar. Hoewel de auteurs betogen dat het grootste deel van deze stroom afkomstig kan zijn van hernieuwbare bronnen zoals zon en wind, erkennen zij dat een klein maar significant deel nog steeds afhankelijk kan zijn van kerncentrales. Kernenergie is schoon wat betreft koolstofemissies, maar het produceert radioactief afval, wat een grote zorg is voor het publiek en het milieu. De auteurs willen zien of er een manier is om dat resterende aandeel kernenergie verder te verkleinen, en daarmee de daarmee gepaard gaande radioactieve afvalstoffen, door te zoeken naar een betere manier om die dagen aan te pakken waarop de wind en de zon wegvallen.

De auteurs beginnen door de opties voor energieopslag te beschrijven, waarbij ze het probleem behandelen als een reis. De meest efficiënte manier om elektriciteit te gebruiken, is door het direct te gebruiken wanneer het wordt opgewekt. Als dat niet mogelijk is, is de volgende beste stap het opslaan ervan in batterijen. Batterijen zijn uitstekend voor het vasthouden van vermogen voor enkele uren, zoals van de middag tot de avond, en ze zijn zeer efficiënt in het teruggeven van de energie. Echter, batterijen worden te duur en te zwaar als men probeert energie voor meerdere dagen of weken op te slaan. Voor die langere gaten, bekend als "donkere doldrums", kijken de auteurs naar waterstof. Waterstof kan voor lange perioden in grote tanks worden opgeslagen, maar het proces van het omzetten van elektriciteit naar waterstof, het opslaan ervan, en het weer omzetten naar elektriciteit is zeer inefficiënt. Men verliest meer dan de helft van de oorspronkelijke energie tijdens dit proces.

Het artikel onderzoekt vervolgens het idee om "groene" waterstof te maken met zonne-energie in zonnige regio's ver weg, deze te transporteren naar de versneller, en het weer om te zetten naar elektriciteit. De auteurs berekenen dat dit een enorme zonnepark zou vereisen, met een oppervlakte van ongeveer drie tot vier kilometer aan elke zijde, en dat het ongeveer één miljard euro zou kosten, enkel voor de zonnepanelen. Zelfs met deze enorme investering zou het systeem slechts ongeveer 20 procent van de oorspronkelijke energie terugwinnen. Zij concluderen dat hoewel dit als een laatste redmiddel zou kunnen dienen, het te inefficiënt en te duur is om de primaire oplossing te zijn voor de behoeften van de versneller. De auteurs zijn duidelijk dat waterstof geen magische brandstofbron is; het is simpelweg een manier om energie over tijd of ruimte te verplaatsen, en het brengt een hoge prijs met zich mee in termen van energieverlies en kosten.

Nadat zij het idee hebben uitgesloten om waterstof te vervaardigen enkel om de versneller van stroom te voorzien, richten de auteurs hun aandacht op een meer verrassende mogelijkheid: natuurlijke waterstof. Lange tijd hebben geologen waterstof die ondergronds werd gevonden genegeerd, omdat zij op zoek waren naar olie en gas. Echter, recente surveys in de regio Lotharingen in Frankrijk hebben significante hoeveelheden waterstof gevonden die opgelost zijn in water diep onder de grond. In één specifieke boring die tot een diepte van 3.655 meter is geboord, vonden wetenschappers waterstof in de rotslagen. Sommige schattingen suggereren dat dit gebied tot wel 46 miljoen ton waterstof kan bevatten. Als deze hulpbron echt is en toegankelijk, zou het een game-changer zijn omdat het niet de energie-intensieve methode vereist om water te splitsen om de brandstof te creëren. De natuur zou het werk al gedaan hebben.

De auteurs zijn voorzichtig om dit niet als een opgelost probleem te presenteren. Zij benadrukken dat het vinden van waterstof in een rotsmonster heel anders is dan het hebben van een constante stroom gas die uit een put komt. De cruciale vraag is of het reservoir genoeg waterstof kan produceren om elke dag bruikbaar te zijn. De huidige gegevens laten zien dat hoewel waterstof aanwezig is, nog niemand een industriële doorstroomsnelheid heeft aangetoond die groot genoeg is om een faciliteit zoals de FCC van stroom te voorzien. De auteurs suggereren dat als deze bron duurzaam kan worden aangewend, het een van de schoonste energiebronnen kan zijn die beschikbaar is, met een koolstofvoetafdruk die veel lager is dan die van waterstof gemaakt uit fossiele brandstoffen. Het zou geen radioactief afval produceren dat geassocieerd wordt met kernenergie, en het zou niet de enorme energieverliezen vereisen die gepaard gaan met het maken van waterstof uit elektriciteit.

Het essay stelt een praktisch pad vooruit voor. De auteurs suggereren dat de organisatie achter de versneller, CERN, kan optreden als een "afnemer als eerste klant" (launch customer). Door een langetermijnovereenkomst te tekenen om elektriciteit te kopen die gegenereerd wordt uit natuurlijke waterstof, zouden zij kunnen helpen bij het financieren van de ontwikkeling van de industrie. Dit zou wetenschappers en ingenieurs het vertrouwen geven om de noodzakelijke infrastructuur te bouwen, de doorstroomsnelheden te testen en te bewijzen dat de hulpbron echt is. De tijdlijn past goed: als de voor eind jaren 2020 geplande proeven succesvol zijn, zou de industrie klaar kunnen zijn om de versneller te bevoorraden wanneer deze in 2048 in bedrijf gaat.

Uiteindelijk is dit artikel geen belofte dat natuurlijke waterstof de dag zal redden, maar een oproep om het serieus te onderzoeken. De auteurs betogen dat we moeten stoppen met de aanname dat alle waterstof door mensen moet worden vervaardigd. In plaats daarvan moeten we zoeken naar de waterstof die de aarde al millennia lang produceert. Zij concluderen dat terwijl fusie-energie en andere geavanceerde technologieën nog ver in de toekomst liggen, natuurlijke waterstof een tastbare, onmiddellijke mogelijkheid biedt. De uitdaging nu is om van hoop naar harde data te gaan, om de doorstroom te meten, de koolstofvoetafdruk te controleren en te bepalen of dit "witte goud" werkelijk een hulpbron is waar we op kunnen rekenen. Het antwoord is nog niet bekend, maar de auteurs geloven dat het een vraagstelling is die het waard is om gesteld te worden, en een die de manier waarop we onze toekomst voeden, zou kunnen veranderen.