Cómo el hidrógeno natural, escondido en las profundidades de la Tierra, podría servir como nueva fuente de energía

En la búsqueda de más fuentes de energía, nuevas y más limpias, aparece un recurso en gran parte no utilizado: el hidrógeno natural.

A diferencia del hidrógeno producido mediante procesos industriales, el hidrógeno natural se forma mediante reacciones geológicas que normalmente tienen lugar dentro de la corteza terrestre, lo que significa que su producción no cuesta nada (aunque sí cuesta cierta cantidad extraerlo) y no emite dióxido de carbono ni otros contaminantes de origen humano.

Hoy en día, el hidrógeno se utiliza principalmente en el refinado de petróleo, la producción de amoníaco para fertilizantes y la producción de metanol, que puede utilizarse como combustible e ingrediente de plásticos. Las nuevas tecnologías están haciendo del hidrógeno un combustible sostenible para automóviles, aviones, barcos y fábricas. Se prevé que la demanda mundial de hidrógeno crecerá de unos 90 millones de toneladas métricas en 2022 a más de 500 millones de toneladas métricas en 2050. Parte de ese suministro podría provenir de la propia naturaleza.

Para describir cada fuente de hidrógeno, los investigadores de energía como yo, y la industria energética en su conjunto, utilizamos una gama de colores. En general, el hidrógeno “gris” y el “azul” se producen quemando combustibles fósiles, y el hidrógeno azul incorpora tecnología que captura el dióxido de carbono producido en el proceso para reducir las emisiones. El hidrógeno “verde” proviene de la electrólisis de energía renovable, que utiliza electricidad para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno “blanco” o “dorado” se encuentra naturalmente bajo tierra y puede extraerse directamente con un procesamiento mínimo.

Cómo se forma el hidrógeno natural

El hidrógeno natural se origina a partir de varios procesos geológicos. El mecanismo mejor estudiado es la serpentinización, una reacción en la que el agua interactúa con rocas ricas en hierro conocidas como ultramáficas, liberando gas hidrógeno.

La serpentinización ocurre en una variedad de entornos en todo el mundo, incluidas las dorsales oceánicas y formaciones continentales como el Midcontinent Rift en América del Norte, una banda de rocas en su mayoría ígneas con rocas sedimentarias mixtas que se extiende desde Minnesota a través de la región del Lago Superior y hacia el sur hasta Kansas.

Otro proceso, la formación de hidrógeno termogénico, ocurre en cuencas sedimentarias profundas cuando el material orgánico se descompone a altas temperaturas, aproximadamente de 480 a 930 grados Fahrenheit (250 a 500 grados Celsius). Estas reacciones también pueden producir hidrógeno junto con otros gases, como metano o nitrógeno.

Dado que estos procesos tienen lugar a lo largo de millones de años, el uso de hidrógeno natural generalmente requiere mucha menos energía que los métodos creados por el hombre, como la electrólisis, que utiliza aproximadamente 50 kilovatios-hora de electricidad por kilogramo de hidrógeno producido, suficiente para alimentar una casa promedio durante uno o dos días, y más de un kilogramo de hidrógeno puede proporcionar. El hidrógeno natural ya está producido, sólo hay que recolectarlo.

La ciencia y la búsqueda.

Los investigadores y las empresas de exploración están desarrollando métodos similares a los utilizados en la exploración de petróleo y gas para localizar posibles acumulaciones de hidrógeno. Observan tres tipos de formaciones geológicas:

Fuga enfocada, donde el hidrógeno se filtra naturalmente a través de grietas y fallas. Tiende a llegar a la superficie y disiparse rápidamente, lo que dificulta la captura a gran escala.

Los lechos de carbón, donde el hidrógeno está unido a las vetas de carbón, ofrecen una mayor densidad potencial pero presentan dificultades para la extracción. El hidrógeno primero debe separarse del carbón y luego fluir a través de las capas sólidas de la roca hasta el punto de extracción.

Los sistemas de trampas de yacimientos sellados, comparables a las formaciones rocosas que atrapan gas natural bajo tierra, se consideran los más prometedores para la producción comercial porque pueden concentrar grandes cantidades de hidrógeno en estructuras perforables bien definidas. Sin embargo, todavía no se han demostrado en gran medida en la práctica: la idea básica está bien establecida y los geólogos tienen una buena idea de dónde podrían ocurrir estas formaciones, pero aún carecen de datos detallados sobre cuánto hidrógeno contienen realmente y con qué facilidad se extraerían.

El sitio de perforación en el este de Kansas es uno de varios lugares donde las empresas buscan hidrógeno natural. Reservas masivas de HiTerra: en algún lugar

El Servicio Geológico de Estados Unidos estima que podría haber más de 5 billones de toneladas métricas de hidrógeno geológico bajo tierra en todo el mundo. Pero se estima que sólo una pequeña parte es recuperable, tanto técnicamente como en términos de costes razonables.

Sin embargo, incluso el 2% de ese total sería más que todas las reservas probadas de gas natural del planeta y suficiente para satisfacer la demanda proyectada para los próximos 200 años, incluso con un mayor consumo.

Todas estas reservas se crearon a lo largo de miles de millones de años. La Tierra produce naturalmente entre 15 y 31 millones de toneladas métricas de hidrógeno natural cada año, menos del 1% de la cantidad que se espera que se necesite cada año hasta 2050. Pero es probable que sólo una fracción de esa cantidad se capture de manera efectiva.

Por lo tanto, el hidrógeno geológico probablemente se considere mejor como una fuente de energía baja en carbono muy grande, pero en última instancia limitada, que puede complementar significativamente, pero no reemplazar, otras fuentes de energía, incluidos varios métodos de producción de hidrógeno.

Puntos críticos globales

Actualmente, sólo un campo de hidrógeno, en el pueblo de Bourakebougou en Malí, produce hidrógeno natural comercialmente, suministrando decenas de toneladas de hidrógeno anualmente para alimentar el pueblo.

Sin embargo, el número de empresas que exploran el hidrógeno natural ha aumentado rápidamente, de unas 10 en 2020 a unas 40 a finales de 2023, según Ristad Energi e informes gubernamentales y de laboratorios de investigación relacionados.

Aparte de ese campo en Mali, la investigación se concentra en Estados Unidos, Australia, Canadá y varios países europeos.

En Estados Unidos, el proyecto Nemaha de HiTerra en Kansas ha confirmado que las concentraciones subterráneas de hidrógeno alcanzan más del 90% de hidrógeno y el 3% de helio. Cuanto mayor sea la concentración de hidrógeno, más eficiente y rentable será la recuperación. HiTerra también está explorando otras partes de las regiones del Medio Oeste y las Montañas Rocosas.

El proceso geológico de formación de serpentinita puede producir hidrógeno. James St. John vía Flickr, CC BY Technical Barriers

Convertir el hidrógeno geológico en una fuente de energía comercial presenta difíciles desafíos científicos y técnicos. Detectar y medir el hidrógeno bajo tierra es difícil debido a su pequeño tamaño molecular y su reactividad con otros elementos de las rocas.

Y si se encuentran bajas concentraciones de hidrógeno mezcladas con grandes cantidades de otros gases, puede resultar costoso, incluso prohibitivo, separar y purificar el hidrógeno antes de que pueda usarse.

Economía y eficiencia

La promesa económica del hidrógeno natural reside en su simplicidad.

Dado que los procesos geológicos ya han realizado el trabajo de producción, las primeras estimaciones sugieren que los costos de extracción podrían ser una décima parte de los costos de producción de otras técnicas tradicionales de producción de hidrógeno, o tal vez incluso menos.

Pero esas cifras se basan en las pequeñas cantidades de hidrógeno encontradas hasta ahora y es posible que no representen un alto rendimiento futuro. Producir lo suficiente para satisfacer la demanda comercial requerirá el descubrimiento de grandes yacimientos de alta calidad.

Como señaló un importante grupo de investigación: “Esto no es una fiebre del oro. Es un examen cuidadoso de la evidencia científica que eventualmente podría conducir a una fuente de energía abundante, continua y libre de carbono que complemente otras fuentes de energía renovables”.