ANAHÍ ABELEDO

Una fuente de energía geológica potencial que antes se había pasado por alto podría aumentar la capacidad de renovación y reducir la huella de carbono: el hidrógeno natural. Nuevos estudios indican que sería ideal para procesos que no pueden electrificarse fácilmente, como los vuelos de larga distancia y la calefacción industrial.

El hidrógeno se considera el combustible más limpio, pues al quemarlo solo se produce calor y agua pura. Los ingenieros incluso han creado una forma de usarlo para generar electricidad en la celda de combustible de hidrógeno. En resumen, esto funciona porque la celda de combustible une hidrógeno y oxígeno para producir agua, generando electricidad en el proceso.

Según el Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) puede ofrecer una solución para reducir la huella de carbono de los procesos que no pueden electrificarse fácilmente, como los vuelos de larga distancia y la calefacción industrial. La gran mayoría del hidrógeno se fabrica con gas natural a través de un proceso que consume energía y libera grandes cantidades de dióxido de carbono a la atmósfera.

Los científicos saben desde hace algún tiempo que el hidrógeno también se produce de forma natural, generado a través de procesos geológicos. Aprovechar las fuentes naturales no liberaría esas grandes cantidades de carbono a la atmósfera. Solo hay un problema: hay poca información científica disponible sobre cuánto hidrógeno hay o dónde se puede encontrar.

Nuevos estudios indican que sería ideal para procesos que no pueden electrificarse fácilmente, como los vuelos de larga distancia y la calefacción industrial

UNA PERSPECTIVA GLOBAL
Para tener una idea de la cantidad de gas hidrógeno que la Tierra puede estar almacenando, el geólogo investigador del USGS, Geoffrey Ellis, solicitó la ayuda de su colega del Programa de Recursos Energéticos, Sarah Gelman, para desarrollar un modelo de recursos global. 

Antes de que pudieran usar un modelo para estimar la cantidad de hidrógeno disponible, tenían que avanzar en la comprensión científica sobre el comportamiento del hidrógeno en el subsuelo. La pareja utilizó el conocimiento existente de análogos como el gas natural para llenar los vacíos en el conocimiento existente y desarrollar su modelo de hidrógeno. 

“Usando un rango conservador de valores de entrada, el modelo predice un volumen medio de hidrógeno que podría satisfacer la demanda mundial de hidrógeno proyectada durante miles de años”, dijo Ellis. 

“Sin embargo, debemos ser muy cuidadosos al interpretar este número. Según lo que sabemos sobre la distribución del petróleo y otros gases en el subsuelo, la mayor parte de este hidrógeno probablemente sea inaccesible", advirtió el investigador. 

Los suministros de hidrógeno están demasiado enterrados, o demasiado lejos de la costa, o en acumulaciones que son demasiado pequeñas, por lo que es muy poco probable que puedan recuperarse económicamente.

La buena noticia es que, si se pudiera recuperar incluso una pequeña fracción de este volumen estimado, probablemente habría suficiente hidrógeno en todos los depósitos globales para durar cientos de años. Ellis está convencido de que la cantidad de hidrógeno en el interior de la Tierra podría constituir potencialmente una fuente de energía primaria. 

“La clave”, dijo, “es entender si el hidrógeno existe en acumulaciones significativas a las que se puede acceder económicamente y, de ser así, cómo encontrar estos recursos”.

Para comenzar a comprender el potencial de acumulación de hidrógeno, los científicos necesitan un mejor modelo geológico para comprender cómo se forma el hidrógeno, de dónde proviene dentro de las capas de roca y dónde termina.

Ellis señala: “Somos afortunados de no empezar desde cero aquí”. Basándose en su experiencia en geología del petróleo, está trabajando para crear un modelo que utilice el enfoque del sistema petrolero.

El sistema petrolero es un modelo conceptual diseñado para comprender la ocurrencia de petróleo dentro de las cuencas geológicas. Ha sido utilizado por geólogos petroleros durante décadas para guiar de manera efectiva la exploración de petróleo y gas y para derivar evaluaciones precisas de los recursos petroleros no descubiertos.

El modelo ayuda a los geólogos a analizar los factores geológicos que deben unirse para formar efectivamente una acumulación de petróleo. Imagina a un geólogo que está siguiendo una serie de pistas para resolver un rompecabezas. Primero, una roca generadora debe contener material orgánico capaz de generar petróleo. Luego, el geólogo debe considerar los caminos que podría seguir el petróleo a medida que escapa de la roca fuente y migra a través de otras capas de roca. 

El geólogo debe identificar cualquier roca reservorio porosa donde se pueda acumular el petróleo. Por último, el geólogo debe evaluar si hay rocas en los alrededores que podrían haber sellado el fluido en su lugar, a menudo durante millones de años. Si alguno de estos componentes falla, entonces el geólogo puede deducir que no se formaría una acumulación de petróleo.

Cómo se forma el hidrógeno bajo tierra. Fuente: " HIDRÓGENO OCULTO: ¿Tiene la Tierra grandes reservas de un combustible renovable y libre de carbono? " de Science

EL SISTEMA DE HIDRÓGENO
Para adaptar el modelo del sistema petrolero para las acumulaciones de hidrógeno, los geólogos deben identificar cómo se forma el hidrógeno natural dentro de las capas de roca, qué tipos de procesos naturales podrían afectar el hidrógeno una vez formado y cómo el hidrógeno puede quedar atrapado en las capas de roca a lo largo de su camino hacia la superficie.

Los geólogos ya saben que hay docenas de procesos naturales que generan hidrógeno, pero comprender el potencial del recurso de hidrógeno requiere identificar cuáles de esos mecanismos son capaces de generar grandes cantidades de gas. 

Uno de esos procesos en los que los científicos generalmente están de acuerdo ocurre cuando el agua subterránea interactúa con minerales ricos en hierro como el olivino (el olivino es un silicato de hierro y magnesio que tiene un tono verde similar al de las aceitunas). Esta interacción puede hacer que el agua se reduzca a oxígeno, que se une al hierro de los minerales, e hidrógeno, que luego escapa a la roca circundante.

Una vez que se ha formado hidrógeno, una variedad de procesos naturales pueden consumir el gas. En particular, muchos microbios sobreviven con hidrógeno, y los microbiólogos ahora han descrito una biosfera vasta y profunda alimentada por hidrógeno. 

Además, el proceso por el cual se forma el petróleo a partir de rocas ricas en materia orgánica consume cualquier hidrógeno disponible. Esta es una de las razones por las que el hidrógeno rara vez se encuentra con gases de hidrocarburos como el metano o el propano.

Cualquier hidrógeno que no sea consumido por estos procesos puede llegar a rocas porosas, donde podría formar una acumulación de gas. Pero para que la acumulación persista, debe estar presente una roca de sellado efectiva para mantener el gas en su lugar. 

Durante décadas, los geocientíficos han asumido que las rocas de las focas no podrían contener efectivamente las acumulaciones de hidrógeno, porque el pequeño tamaño del hidrógeno le permitiría escapar incluso a través de las rocas más compactas. 

Los estudios muestran que el diámetro de una molécula de dos átomos de hidrógeno es aproximadamente igual al de un solo átomo de helio y que es probable que los dos gases queden atrapados en capas de roca similares. 

Se conocen acumulaciones de helio que se han conservado durante 100 millones de años, por lo que es razonable suponer que el hidrógeno podría quedar atrapado durante períodos de tiempo similares.

Los científicos del USGS están incorporando todos estos factores en su modelo, lo que mejorará nuestra comprensión del potencial de recursos del hidrógeno natural en la Tierra.

Como científico principal en el esfuerzo del USGS para evaluar el potencial de los recursos geológicos de hidrógeno, Ellis lidera el esfuerzo del USGS para mapear las regiones de los EE. UU. contiguos con mayor probabilidad de contener hidrógeno geológico. 

Su equipo está utilizando el modelo del sistema de hidrógeno como base de este trabajo. Al mapear la distribución de cada uno de los componentes del sistema de hidrógeno y evaluar qué tan bien se alinean, pueden proporcionar una estimación inicial del potencial de hidrógeno geológico en todo el país.

Hay al menos dos áreas principales del país que tienen una geología favorable para la generación de volúmenes significativos de hidrógeno. Estos se encuentran a lo largo de la llanura costera del Atlántico y en el centro de los EE.UU., partes subyacentes de las Grandes Llanuras y el Medio Oeste Superior.

El área atlántica de interés se extiende a lo largo de la mayor parte de la costa este y está asociada con una banda de capas de rocas ricas en hierro enterradas en las profundidades del fondo del océano. Estas rocas se depositaron cuando se formó la cuenca del Océano Atlántico. 

Forsterita, un mineral olivino. El agua subterránea que interactúa con el olivino puede provocar la acumulación de hidrógeno en las capas de roca circundantes. Imagen: Museo Nacional Smithsonian de Historia Natural

Los estudios geofísicos han confirmado que parte del hierro de estas rocas ha reaccionado con el agua y ha producido hidrógeno, que muy probablemente escapó de las rocas ricas en hierro y migró a lo largo de las capas sedimentarias hacia la costa.

El área central de EE. UU. de interés está relacionada con rocas que se formaron cuando una antigua grieta casi dividió a América del Norte en dos. La falla fallida, conocida como Midcontinent Rift, ocurrió hace aproximadamente 1.100 millones de años y subyace en el lago Superior y gran parte de Iowa, Minnesota y Michigan. Aunque la grieta no logró dividir el continente, trajo grandes cantidades de minerales a las capas superiores de la corteza terrestre, incluidos minerales ricos en hierro que podrían formar hidrógeno.

A pesar del potencial significativo para la generación de hidrógeno en estas regiones, esto no equivale necesariamente a un alto potencial para los recursos geológicos de hidrógeno.

Ellis explicó: “Recuerde, debemos tener todos los componentes del sistema de hidrógeno presentes para que el sistema funcione. Todavía tenemos más trabajo por hacer para determinar la medida en que otros componentes, como reservorios y sellos, están presentes en estas áreas antes de que sepamos la probabilidad de que contengan cantidades significativas de hidrógeno geológico”.

EXPLORACIÓN Y PRODUCCIÓN
Es probable que la exploración de recursos geológicos de hidrógeno emplee muchas de las mismas estrategias y tecnologías que se utilizan actualmente en la exploración de petróleo, con algunos elementos adicionales tomados de la exploración de recursos minerales y geotérmicos. Debido al potencial del hidrógeno para que el acero se vuelva quebradizo, la producción de hidrógeno atrapado en los depósitos requerirá materiales ligeramente diferentes. De lo contrario, se puede usar el mismo equipo de perforación y terminación que se usa actualmente para el desarrollo de gas natural.

A diferencia de los campos de gas natural, parte del gas en los campos de hidrógeno natural puede ser renovable dada la rápida tasa de generación de hidrógeno a través de la reducción del agua. 

Conozca el Rift del Continente Medio , una de las regiones geológicamente más fascinantes de los Estados Unidos y Canadá

Algunos investigadores han propuesto que los depósitos, las trampas y los sellos pueden no ser necesarios para producir hidrógeno geológico sino que podrían aprovecharse las rocas que generan hidrógeno, o hacer que el hidrógeno migre a través de ellas, y producir el gas de hidrógeno a medida que se genera. 

Otros científicos van aún más lejos y proponen que se podría inyectar agua caliente en rocas ricas en hierro que actualmente no generan hidrógeno para estimular la generación, algo similar a la producción mejorada de energía geotérmica.

“Si sumas la cantidad de hidrógeno que creemos que podría estar atrapado en los reservorios, más la cantidad que podría producirse directamente a medida que se genera, y la cantidad que podría generarse a través de la estimulación, obtienes un recurso potencial muy grande”, dijo Ellis.