Formaciones Geológicas de Hidrógeno Natural
La transición energética propuesta por la Unión Europea, en la que se quiere conseguir las cero emisiones para el año 2050, se plantea a través de la electrificación renovable de todos los sectores posibles. Para aquellas industrias en las que el uso de la electricidad no sea suficiente, como pueda ser la aviación o la industria pesada, se plantea el uso de hidrógeno renovable, que se produce mediante la tecnología de electrolización.
La principal forma de producción de hidrógeno renovable es la electrólisis alimentada por electricidad renovable. Otras opciones pueden involucrar el reformado de biogás o el uso de concentradores solares a través de procesos termoquímicos. Para realizar la separación del hidrógeno de la molécula del agua también existen alternativas que pueden ser libres de emisiones, como la electrólisis alimentada con electricidad producida en plantas nucleares, pero que carecen del carácter renovable.
El hidrógeno natural se genera sin la intervención del ser humano. Algunos investigadores creen que el hidrógeno natural puede ser de origen tanto abiótico como biótico, incluyendo el primero la generación de hidrógeno a través de reacciones agua-roca y la radiólisis del agua. Otros investigadores creen que el hidrógeno natural tiene una mezcla de orígenes. Esta variedad de explicaciones para el origen del hidrógeno natural sugiere que los investigadores no han comprendido completamente la naturaleza y el comportamiento del hidrógeno en la corteza.
El hidrógeno natural fue identificado por primera vez en 1888, cuando una publicación identificó muestras de hidrógeno en la composición del gas procedente de unas grietas en una mina de carbón en Ucrania. Sin embargo, no se prestó mucha atención a este hidrógeno hasta que en el año 2012 se realizó el descubrimiento de un yacimiento de hidrógeno natural en el poblado del Bourakébougou, Mali. Este yacimiento que cuenta con un hidrógeno muy puro (entorno al 98% volumen de hidrógeno), devolvió el interés en el hidrógeno natural, impulsando la búsqueda de yacimientos similares por el mundo y el planteamiento de inversiones para el futuro desarrollo de tecnologías para su posible extracción y tratamiento. Como consecuencia de este creciente interés, en el año 2020 se publicó un artículo que revisó un total de 331 análisis de muestras de hidrógeno natural (sin incluir Australia). Este estudio identificó que el hidrógeno está ampliamente distribuido en todo el mundo, y que se pueden encontrar concentraciones del mismo que varían entre el 1% y el 100%.
Ilustración 1. Distribución de Rocas Ultramáficas y de yacimientos en el mundo
Estos descubrimientos, unido al interés por descarbonizar la sociedad y reducir la dependencia de combustibles fósiles, ha generado una serie de preguntas sobre el hidrógeno natural que la comunidad científica está tratando de responder. Entre ellas, las más relevantes son, ¿es este hidrógeno renovable?, ¿cómo se produce de forma natural?, ¿cuál es su ritmo de producción?
Formación geológica del Hidrógeno
Ilustración 2. Tipos de procesos naturales de formación de hidrógeno
Como se ha comentado anteriormente, existen distintos tipos de formación de hidrógeno natural:
- Procesos biológicos: se desarrollan gracias a organismos vivos, como pueden ser la descomposición de materia orgánica y los procesos de fermentación.
- Procesos abióticos: no se desarrollan gracias a organismos vivos, como pueden ser la radiólisis y la reducción directa de H2O.
Dentro de los diversos tipos de generación natural de hidrógeno hay dos que cobran una mayor importancia por los expertos en la formación de yacimientos, ya que se considera que tienen un ritmo de producción mayor que el resto. Éstos son:
Radiólisis: los distintos elementos radiactivos de la corteza terrestre, como puedan ser el uranio (U-235) y el torio, se desintegran emitiendo partículas alfa (núcleos de helio doblemente ionizados). Estas partículas entre otras muchas formas de radiación pueden romper los enlaces de hidrógeno del agua subterránea cercana, generando así hidrógeno.
Serpentinización: en este proceso se obtiene hidrógeno a través de dos reacciones en presencia de agua que sufren los minerales con alto contenido en elementos ferromagnesianos, como pueda ser el ejemplo del olivino y del piroxeno (silicatos con un alto contenido en hierro y magnesio).
En esta primera reacción, los minerales mencionados en presencia de agua y unas condiciones ambientales específicas (≥500 bar y entre 200-300ºC), suelen darse a profundidades de unos 10 km, produciendo nuevos minerales como la serpentina y la brucita.
Ilustración 3. Reacciones de hidratación del Olivino y oxidación del hidróxido de Hierro
La serpentina solo puede incorporar pequeñas cantidades de hierro ferroso, por lo que gran parte se oxida por el agua y se forma la magnetita liberando hidrógeno en el proceso.
Ilustración 4. Mineral de Olivino
Ilustración 5. Mineral de Serpentina
La producción de hidrógeno por este método depende de tres factores variables como son la temperatura, la presión y la ratio entre agua y material rocoso.
Existe una discrepancia en la cantidad de hidrógeno generado de forma natural por los distintos procesos explicados anteriormente. Los estudios más optimistas estiman que existen unas 1012 Mt de peridotita (roca con alto componente olivino y piroxeno) en la corteza superior de La Tierra. Esta roca puede producir entre 2-4 kg de hidrógeno por metro cúbico de roca tras la oxidación, lo que significaría un total de 1.000 Mt de hidrógeno generado por el proceso de oxidación previamente mencionado. En cambio, los estudios más pesimistas estiman que sólo el 50% de las peridotitas se encuentran en ambientes donde es posible la serpentinización, lo que produciría unas 260 Mt de hidrógeno, excediendo con creces la actual demanda global anual de hidrógeno, estimada en 94 Mt.
Es importante destacar que el proceso es continuo, dado que los minerales con un alto contenido en elementos ferromagnesianos (olivino y piroxeno) que son consumidos en la reacción de serpentinizacón, se regeneran anualmente en forma de peridotita a un ritmo estimado de 1000 Mt anuales mediante procesos de formación ígneos, asociados a los magmas, que tienen un movimiento continuo gracias a las corrientes de magma en el interior del planeta.
Yacimientos de hidrógeno
La localización de estos yacimientos ha resultado desapercibida a lo largo de los años por distintos motivos. En particular destaca que, durante las campañas de exploración de yacimientos de combustibles fósiles y minerales, éstas se llevaban a cabo mediante el uso de tecnología de cromatografía, que usaba hidrógeno como gas portador, impidiendo así su detección.
A partir del descubrimiento del yacimiento en Mali, comienza la búsqueda de yacimiento similares. Por medio de los primeros estudios sobre los posibles procesos de generación de este hidrógeno, se llega a la conclusión que las zonas en las que se pueden presentar los yacimientos son principalmente en áreas de subducción (zonas en las que una placa oceánica se desliza bajo una placa continental), como puede ser el Anillo de Fuego del Pacífico, que cuenta con un suministro constante de agua y de elementos ferromagnesianos, para la posterior formación de minerales de olivino y piroxeno, siendo los constituyentes principales de la peridotita, materia prima de las reacciones de serpentinización.
Ilustración 6. Esquema subducción Corteza Oceánica bajo Corteza Continental
Las zonas asociadas a este tipo de yacimientos son las que presentan poco potencial para la formación de yacimientos de combustibles fósiles, ya que el hidrógeno que se pueda producir en estas formaciones reaccionaría con los diversos compuestos orgánicos.
Otras zonas en las que se pueden presentar yacimientos de hidrógeno naturales son en rift continentales (primeras fases de una separación de placas continentales), volcanes y aguas termales.
Son bien conocidos los problemas asociados al almacenamiento del hidrógeno, en gran medida por el minúsculo tamaño que presenta la molécula de hidrógeno, por las elevadas presiones asociadas a los depósitos de almacenamiento y lo reactivo que es el hidrógeno con la mayoría de los elementos comunes. Este motivo ha impulsado el escepticismo en la existencia de formaciones geológicas capaces de concentrar el hidrógeno de forma natural, puesto que, por las propiedades de la molécula, ésta debería migrar hacia niveles superiores de la superficie terrestre hasta llegar a la atmósfera, donde acabaría mezclándose con los diferentes gases del aire, además de reaccionar con todo tipo de iones que se encontrase en su camino migratorio hacia la superficie.
Ilustración 7. Distribución de los yacimientos descubiertos y en explotación
A falta de estudios más exhaustivos, se cree que las formaciones geológicas capaces de concentrar este hidrógeno formado de manera natural son las que presenten un nivel de permeación suficientemente bajo para que la producción de hidrógeno sea mayor que la difusión de éste a través de la roca, produciéndose su acumulación.
Otra característica que deben poseer las formaciones de rocas es una estructura química muy estable, para evitar que el hidrógeno reaccione con los distintos iones del material y por tanto no pueda almacenarse. Algunos cuerpos rocosos que presentan esta serie de características son formaciones de carbón, ofiolita (roca ultramáfica) y rocas de sal, como podría ser la halita.
Tratamiento del Hidrógeno
Al igual que en los yacimientos fósiles de gas natural, en los de hidrógeno habrá que tratar el producto final por las impurezas que pueda presentar, entre las que se encuentran diversos gases como el nitrógeno, el metano y el dióxido de carbono, además de presencia de humedad.
La calidad del agua, es decir la cantidad de sales minerales disueltas contenidas, influirá de manera notable en la pureza final de hidrógeno, repercutiendo en gran medida en los distintos procesos de tratamiento a llevar a cabo durante la etapa de extracción.
Ilustración 8. Diagrama de bloques de los tratamientos necesarios de un yacimiento de Hidrógeno natural
Según algunos estudios recientes, para la primera serie de tratamientos que necesitará el hidrógeno natural se deberán disponer, principalmente, de las siguientes tecnologías:
- Separador de membranas: forzando el flujo de la mezcla gaseosa obtenida del yacimiento por una seria de membranas porosas, por medio de la separación física se obtiene una primera diferenciación de los compuestos.
- Secador: mediante el uso de secadores frigoríficos, se condensará la humedad restante en el flujo gaseoso, consiguiendo así una eliminación de agua en la corriente. Otra posible tecnología que se podría plantear son los secadores de adsorción.
- PSA (Pressure Swing Adsorption): se hace pasar el flujo de gas por un tamiz de zeolitas (material poroso que permite adsorber y catalizar sustancias), obteniéndose una corriente final con un alto porcentaje de hidrógeno.
Potencial del hidrógeno natural. Bourakébougou, Mali. ¿Es replicable en el resto del mundo?
Como se ha mencionado anteriormente, el yacimiento de Mali fue el primero que se descubrió y que abrió las puertas a la búsqueda de yacimientos en distintas partes del mundo. Este yacimiento ha suministrado un caudal ininterrumpido de unos 1500 Nm3/día de hidrógeno, sin apreciarse una caída de presión en el mismo, sugiriendo una tasa de regeneración mayor que la de consumo, y/o un tamaño del yacimiento muy superior a la tasa a la que se consume el hidrógeno. Aunque son resultados prometedores, hay que indicar que el caudal de hidrógeno suministrado por este yacimiento tiene una potencia equivalente a unos 200 kW. Dicho caudal es suministrado a un generador en el que el hidrógeno es quemado para producir electricidad, considerando la eficiencia de estos equipos, muy por debajo del 50%, la potencia eléctrica suministrada por este sistema no alcanza los 100 kW.
Ilustración 9. Generador Eléctrico alimentado por Hidrógeno natural. Bourakébougou, Mali
Dada su geología y el hidrógeno detectado en explotaciones de oil&gas, Australia se muestra como una candidata a albergar grandes cantidades de hidrógeno natural, y está realizando muchas prospecciones para identificar posibles yacimientos de este hidrógeno. En concreto, en Australia del Sur lidera la iniciativa nacional en habilitar la exploración del hidrógeno natural. Por ejemplo, ya existen marcos legislativos para la concesión de licencias, reglamentación e inversión, siendo posible la exploración de hidrógeno natural desde febrero de 2021. Además, los registros en línea del ministerio de energía y minas revelaron contenidos significativos de hidrógeno en los análisis de muestras de gas tomadas en tres perforaciones históricas:
- 1915 – Robe 1 (25,4% de hidrógeno).
- 1921 – American Beach Oil 1 (64,4-80 % de hidrógeno).
- 1931 – Ramsay Oil Bore 1 (51,3-68,6 % de hidrógeno).
Esta zona de Australia cuenta con las condiciones geológicas adecuadas para la producción abiótica de hidrógeno natural. Por ejemplo, exploraciones en los lagos salados de la península Yorke han mostrado resultados prometedores.
Ilustración 10. Tabla de composición del yacimiento de la Península de Yorke. Australia
En los EE. UU., se descubrió hidrógeno con aproximadamente un 50% de contenido durante prospecciones petrolíferas. (Goebel ED et al., 1983). En 2013, la empresa especializada en la exploración de hidrógeno, Natural Hydrogen Energy LLC, descubrió grandes yacimientos de hidrógeno con una producción estimada de hasta varias toneladas por día en muchos lugares de los Estados Unidos en 2015. La primera vez que se perforó un pozo de hidrógeno natural fue en Kansas a finales de
2019. Este pozo perforado a través de unos 424 m de los estratos sedimentarios y unos 90 m del basamento subyacente suministró hidrógeno de hasta el 91% de pureza.
En Rusia se han identificado alrededor de 562 depresiones superficiales con fugas de hidrógeno. Estas depresiones varían en diámetro desde 100 m a varios km. El núcleo de estas depresiones es a menudo un humedal, un pantano o un lago. Según una estimación de la composición del gas del suelo cercano a la superficie, la cantidad de hidrógeno que fuga de estas depresiones a la superficie es de aproximadamente 24000 m3/día.
En España, Ascent Funds Management LLC ha firmado un acuerdo con Helios Aragón para identificar yacimientos de hidrógeno natural en Aragón en un área de 89000 hm2. Originalmente estaba dedicada a la exploración de hidrocarburos. En uno de estos pozos se encontraron cantidades significativas de hidrógeno a 3680 m de profundidad.
Ilustración 11. Tabla de las cantidades de producción de las distintas fuentes de hidrógeno
Conclusiones
A diferencia de los yacimientos fósiles, como el gas natural que tiene un ritmo de formación de millones de años, muchos estudios estiman que el ritmo de producción del hidrógeno natural es bastante alto, teniendo una magnitud temporal similar al tiempo humano, por lo que podría considerarse renovable.
La presencia de hidrógeno natural abundante, incluso si éste no fuera renovable, podría ser clave para alcanzar los objetivos de descarbonización. A día de hoy, se espera que el hidrógeno sea una de las principales alternativas para la descarbonización. Sin embargo, depende de una implementación masiva de electrolizadores y de producción de energía renovable para cubrir los niveles de demanda esperada. Esto está suponiendo un reto, ya que la cadena de suministro de estas tecnologías no está lista para esta demanda tan urgente. Además, debido a que el mix energético que tenemos hoy en día tiene una gran huella de carbono, la fabricación de estas tecnologías no está exenta de un nivel de emisiones no despreciable. Es por ello que la existencia de hidrógeno natural abundante podría servir como solución transitoria para cubrir la demanda de hidrógeno libre de emisiones, permitiendo alcanzar de manera inmediata los objetivos de descarbonización y dando tiempo a la tecnología de electrólisis de alcanzar suficiente madurez industrial y comercial para ser capaz de cubrir la demanda necesaria de manera eficiente y con una cadena de suministro fiable y con bajo impacto ambiental.
Ilustración 12. Hipótesis del posible uso del hidrógeno natural como ayuda a la descarbonización
Por este motivo, se están llevando a cabo numerosas exploraciones en los últimos años para tratar de identificar yacimientos de este hidrógeno, con resultados prometedores en cuanto a su número. Sin embargo, la mayoría de los yacimientos descubiertos no cuentan con la peculiaridad que muestra el descubierto en Mali, ya que de media poseen un porcentaje de hidrógeno mucho menor, variando normalmente entre el 15-60% de hidrógeno. Es por ello que para conseguir un hidrógeno utilizable en estos yacimientos habría que realizar un tratamiento de secado y purificación, lo que supondría un aumento en los costes y la posibilidad de no ser rentable.
Además, las cantidades extraídas no son significativas cuando se ponen en contexto con la demanda energética per cápita de la población mundial.
Es muy importante también la implementación de una legislación que regularice la extracción en los yacimientos, así como la creación de una normativa que abarque toda la cadena de valor de este hidrógeno natural. Además, es de vital importancia una temprana categorización del hidrógeno, basándose en criterios científicos, para su posterior comercialización.
De obtener la categorización de hidrógeno renovable o de bajas emisiones, este hidrógeno podría suponer una gran inyección en la oferta de hidrógeno, generando una reducción de precios. Al mismo tiempo, favorecería la inversión en tecnologías asociadas a la cadena de valor del hidrógeno, impulsando así el desarrollo de tecnologías con poco nivel de madurez, por la presencia de unos precios más competitivos del hidrógeno. Esto llevaría a una mayor evolución en el mercado y de diversas tecnologías, incluso podrían cumplirse con antelación los objetivos fijados por la Unión Europea, al encontrarse con un mercado más competitivo antes de los horizontes imaginados por la UE.
Otra posible ventaja que pueden asociarse con el estudio de este tipo de yacimientos recientemente descubiertos es la caracterización de los materiales rocosos que son capaces de evitar la permeación del hidrógeno a través de ellos, puesto que pueden ser de gran utilidad para la confección de futuros depósitos de almacenamiento de hidrógeno que puedan mejorar las características de las actuales tecnologías.
Al mismo tiempo, estas formaciones geológicas capaces de permitir la concentración de hidrógeno natural podrían ser usadas como almacenamiento geológico de hidrógeno, en especial aquellos yacimientos en los que el ritmo de producción de hidrógeno sea menor, y pueda plantearse la inyección de hidrógeno sin suponer problemas para la formación geológica, aunque habría que analizar con detalle la pérdida de pureza que sufriría el hidrógeno almacenado.
REFERENCIAS