Comúnmente se piensa que el elemento más abundante en el universo, el hidrógeno, existe principalmente junto con otros elementos: con el oxígeno en el agua, por ejemplo, y con el carbono en el metano. Pero las bolsas subterráneas naturales de hidrógeno puro están perforando agujeros en esa noción y generando atención como una fuente potencialmente ilimitada de energía libre de carbono.
Una parte interesada es el Departamento de Energía de Estados Unidos, que el mes pasado otorgó 20 millones de dólares en subvenciones de investigación a 18 equipos de laboratorios, universidades y empresas privadas para desarrollar tecnologías que puedan conducir a la obtención de combustible limpio y barato desde el subsuelo.
El hidrógeno geológico, como se le conoce, se produce cuando el agua reacciona con rocas ricas en hierro, provocando que el hierro se oxide. Uno de los beneficiarios de la subvención, el grupo de investigación del profesor asistente del MIT Iwnetim Abate, utilizará su subvención de 1,3 millones de dólares para determinar las condiciones ideales para producir hidrógeno bajo tierra, considerando factores como los catalizadores para iniciar la reacción química, la temperatura, la presión y los niveles de pH. El objetivo es mejorar la eficiencia para la producción a gran escala, satisfaciendo las necesidades energéticas globales a un costo competitivo.
El Servicio Geológico de Estados Unidos estima que hay potencialmente miles de millones de toneladas de hidrógeno geológico enterrado en la corteza terrestre. Se han descubierto acumulaciones en todo el mundo y una gran cantidad de nuevas empresas están buscando depósitos extraíbles. Abate busca impulsar el proceso de producción de hidrógeno natural, implementando enfoques «proactivos» que implican estimular la producción y recolectar el gas.
«Nuestro objetivo es optimizar los parámetros de reacción para acelerar la reacción y producir hidrógeno de una manera económicamente viable», dice Abate, profesor de desarrollo de Chipman en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE). La investigación de Abate se centra en el diseño de materiales y tecnologías para la transición a las energías renovables, incluidas baterías de próxima generación y métodos químicos novedosos para el almacenamiento de energía.
Generando innovación
El interés en el hidrógeno geológico está creciendo en un momento en que los gobiernos de todo el mundo buscan alternativas energéticas libres de carbono al petróleo y al gas. En diciembre, el presidente francés, Emmanuel Macron, dijo que su gobierno proporcionaría financiación para explorar el hidrógeno natural. Y en febrero, testigos del gobierno y del sector privado informaron a los legisladores estadounidenses sobre las oportunidades para extraer hidrógeno del suelo.
Hoy en día, el hidrógeno comercial se fabrica a 2 dólares el kilogramo, principalmente para la producción de fertilizantes y productos químicos y acero, pero la mayoría de los métodos implican la quema de combustibles fósiles, que liberan carbono que calienta la Tierra. El “hidrógeno verde”, producido con energía renovable, es prometedor, pero a 7 dólares el kilogramo, es caro.
«Si se obtiene hidrógeno a un dólar el kilo, es competitivo con el gas natural en términos de precio de la energía», dice Douglas Wicks, director de programa de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada – Energía (ARPA-E), la organización del Departamento de Energía que lidera el programa de subvenciones para hidrógeno geológico.
Los beneficiarios de las subvenciones ARPA-E incluyen la Escuela de Minas de Colorado, la Universidad Tecnológica de Texas y el Laboratorio Nacional de Los Álamos, además de empresas privadas como Koloma, una nueva empresa de producción de hidrógeno que ha recibido financiación de Amazon y Bill Gates. Los proyectos en sí son diversos y van desde la aplicación de métodos industriales de petróleo y gas para la producción y extracción de hidrógeno hasta el desarrollo de modelos para comprender la formación de hidrógeno en las rocas. El propósito: abordar preguntas en lo que Wicks llama un «espacio en blanco total».
«En el caso del hidrógeno geológico, no sabemos cómo podemos acelerar su producción, porque es una reacción química, ni entendemos realmente cómo diseñar el subsuelo para que podamos extraerlo de forma segura», dice Wicks. «Estamos tratando de incorporar las mejores habilidades de cada uno de los diferentes grupos para trabajar en esto bajo la idea de que el conjunto debería poder darnos buenas respuestas en un período de tiempo bastante rápido».
El geoquímico Viacheslav Zgonnik, uno de los principales expertos en el campo del hidrógeno natural, coincide en que la lista de incógnitas es larga, al igual que el camino hacia los primeros proyectos comerciales. Pero dice que los esfuerzos para estimular la producción de hidrógeno (para aprovechar la reacción natural entre el agua y la roca) presentan un «tremendo potencial».
«La idea es encontrar formas de acelerar esa reacción y controlarla para que podamos producir hidrógeno según demanda en lugares específicos», dice Zgonnik, director ejecutivo y fundador de Natural Hydrogen Energy, una startup con sede en Denver que tiene arrendamientos de minerales para perforaciones exploratorias. en los Estados Unidos. «Si podemos lograr ese objetivo, significa que potencialmente podemos reemplazar los combustibles fósiles con hidrógeno estimulado».
“Un momento de cierre del círculo”
Para Abate, la conexión con el proyecto es personal. Cuando era niño, en su ciudad natal de Etiopía, los cortes de energía eran algo habitual: las luces se apagaban tres, tal vez cuatro días a la semana. Las velas parpadeantes o las lámparas de queroseno que emitían contaminantes eran a menudo la única fuente de luz para hacer los deberes por la noche.
“Y en el hogar, teníamos que utilizar leña y carbón para tareas como cocinar”, dice Abate. “Esa fue mi historia hasta el final de la escuela secundaria y antes de venir a los Estados Unidos para ir a la universidad”.
En 1987, los excavadores de pozos que perforaban en busca de agua en Malí, en África occidental, descubrieron un depósito natural de hidrógeno, lo que provocó una explosión. Décadas más tarde, el empresario maliense Aliou Diallo y su compañía canadiense de petróleo y gas explotaron el pozo y utilizaron un motor para quemar hidrógeno y generar electricidad en la aldea cercana.
Diallo abandonó el petróleo y el gas y lanzó Hydroma, la primera empresa de exploración de hidrógeno del mundo. La compañía está perforando pozos cerca del sitio original que han arrojado altas concentraciones de gas.
“Así que lo que antes se conocía como un continente pobre en energía ahora está generando esperanza para el futuro del mundo”, afirma Abate. “Aprender sobre eso fue un momento de cierre del círculo para mí. Por supuesto, el problema es global; la solución es global. Pero luego la conexión con mi viaje personal, más la solución que viene de mi continente de origen, me conecta personalmente con el problema y la solución”.
Experimentos que escalan
Abate y los investigadores de su laboratorio están formulando una receta para un fluido que inducirá la reacción química que desencadena la producción de hidrógeno en las rocas. El ingrediente principal es el agua, y el equipo está probando materiales «simples» para catalizadores que acelerarán la reacción y, a su vez, aumentarán la cantidad de hidrógeno producido, dice el postdoctorado Yifan Gao.
«Algunos catalizadores son muy costosos y difíciles de producir, y requieren una producción o preparación compleja», dice Gao. «Un catalizador que sea económico y abundante nos permitirá mejorar la tasa de producción; de esa manera, lo produciremos a un ritmo económicamente viable, pero también con un rendimiento económicamente viable».
Las rocas ricas en hierro en las que se produce la reacción química se pueden encontrar en todo Estados Unidos y el mundo. Para optimizar la reacción en una diversidad de composiciones y entornos geológicos, Abate y Gao están desarrollando lo que llaman un sistema de alto rendimiento, que consta de software de inteligencia artificial y robótica, para probar diferentes mezclas de catalizadores y simular lo que sucedería si se aplicaran a rocas de varias regiones, con diferentes condiciones externas como temperatura y presión.
«Y a partir de ahí medimos cuánto hidrógeno estamos produciendo para cada combinación posible», dice Abate. «Luego, la IA aprenderá de los experimentos y nos sugerirá: ‘Basándonos en lo que he aprendido y en la literatura, les sugiero que prueben esta composición de material catalizador para esta roca'».
El equipo está escribiendo un artículo sobre su proyecto y pretende publicar sus hallazgos en los próximos meses.
El próximo hito del proyecto, tras desarrollar la receta del catalizador, es diseñar un reactor que tendrá dos propósitos. En primer lugar, equipado con tecnologías como la espectroscopia Raman, permitirá a los investigadores identificar y optimizar las condiciones químicas que conducen a mejores tasas y rendimiento de producción de hidrógeno. El dispositivo a escala de laboratorio también servirá de base para el diseño de un reactor del mundo real que pueda acelerar la producción de hidrógeno en el campo.
«Ese sería un reactor a escala de planta que se implantaría en el subsuelo», dice Abate.
El proyecto interdisciplinario también aprovecha la experiencia de Yang Shao-Horn, del Departamento de Ingeniería Mecánica y DMSE del MIT, para el análisis computacional del catalizador, y de Esteban Gazel, un científico de la Universidad de Cornell que aportará su experiencia en geología y geoquímica. Se centrará en comprender las formaciones rocosas ultramáficas ricas en hierro en los Estados Unidos y el mundo y cómo reaccionan con el agua.
Para Wicks en ARPA-E, las preguntas que hacen Abate y los demás beneficiarios de la subvención son sólo los primeros pasos críticos en un territorio energético inexplorado.
«Si podemos entender cómo estimular estas rocas para que generen hidrógeno, elevándolo de manera segura, realmente se liberará la fuente potencial de energía», dice. Entonces, la industria emergente buscará en el petróleo y el gas conocimientos técnicos de perforación, tuberías y extracción de gas. «Como me gusta decir, se trata de una tecnología habilitadora que esperamos que, en un plazo muy corto, nos permita decir: ‘¿Existe realmente algo ahí?'»