Estrazione dell’idrogeno dalle rocce | Notizie del MIT

Si ritiene comunemente che l’elemento più abbondante nell’universo, l’idrogeno, esista principalmente insieme ad altri elementi, ad esempio insieme all’ossigeno nell’acqua e al carbonio nel metano. Ma le sacche sotterranee naturali di idrogeno puro stanno facendo breccia in questa nozione e attirando l’attenzione come fonte potenzialmente illimitata di energia priva di carbonio.

Una delle parti interessate è il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, che il mese scorso ha assegnato 20 milioni di dollari in borse di ricerca a 18 gruppi di laboratori, università e aziende private per sviluppare tecnologie che possano portare a combustibile pulito ed economico dal sottosuolo.

L’idrogeno geologico, come è noto, viene prodotto quando l’acqua reagisce con rocce ricche di ferro, provocando l’ossidazione del ferro. Uno dei destinatari della sovvenzione, il gruppo di ricerca del professore assistente del MIT Iwnetim Abate, utilizzerà la sua sovvenzione di 1,3 milioni di dollari per determinare le condizioni ideali per la produzione di idrogeno nel sottosuolo, considerando fattori come i catalizzatori per avviare la reazione chimica, la temperatura, la pressione e i livelli di pH. L’obiettivo è migliorare l’efficienza per la produzione su larga scala, soddisfacendo il fabbisogno energetico globale a un costo competitivo.

L’US Geological Survey stima che ci siano potenzialmente miliardi di tonnellate di idrogeno geologico sepolti nella crosta terrestre. Sono stati scoperti accumuli in tutto il mondo e un gran numero di startup sono alla ricerca di depositi estraibili. Abate sta cercando di rilanciare il processo di produzione naturale dell’idrogeno, implementando approcci “proattivi” che coinvolgano la stimolazione della produzione e la raccolta del gas.

“Il nostro obiettivo è ottimizzare i parametri di reazione per rendere la reazione più veloce e produrre idrogeno in un modo economicamente fattibile”, afferma Abate, professore di sviluppo Chipman presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali (DMSE). I centri di ricerca di Abate sono la progettazione di materiali e tecnologie per la transizione alle energie rinnovabili, comprese le batterie di prossima generazione e nuovi metodi chimici per lo stoccaggio dell’energia.

Innovazione scintillante

L’interesse per l’idrogeno geologico sta crescendo in un momento in cui i governi di tutto il mondo sono alla ricerca di alternative energetiche prive di carbonio al petrolio e al gas. A dicembre, il presidente francese Emmanuel Macron ha dichiarato che il suo governo avrebbe fornito finanziamenti per esplorare l’idrogeno naturale. E a febbraio, testimoni del governo e del settore privato hanno informato i legislatori statunitensi sulle opportunità di estrarre idrogeno dal suolo.

Oggi l’idrogeno commerciale viene prodotto a 2 dollari al chilo, principalmente per la produzione di fertilizzanti, prodotti chimici e acciaio, ma la maggior parte dei metodi prevede la combustione di combustibili fossili, che rilasciano carbonio che riscalda la Terra. L’“idrogeno verde”, prodotto con energia rinnovabile, è promettente, ma a 7 dollari al chilogrammo è costoso.

“Se si ottiene l’idrogeno a un dollaro al chilo, è competitivo con il gas naturale in termini di prezzo energetico”, afferma Douglas Wicks, direttore del programma presso l’Advanced Research Projects Agency – Energy (ARPA-E), l’organizzazione del Dipartimento dell’Energia leader il programma di sovvenzioni geologiche per l’idrogeno.

I destinatari delle sovvenzioni ARPA-E includono la Colorado School of Mines, la Texas Tech University e il Los Alamos National Laboratory, oltre a società private tra cui Koloma, una startup per la produzione di idrogeno che ha ricevuto finanziamenti da Amazon e Bill Gates. I progetti stessi sono diversi e vanno dall’applicazione di metodi industriali di petrolio e gas per la produzione e l’estrazione dell’idrogeno allo sviluppo di modelli per comprendere la formazione dell’idrogeno nelle rocce. Lo scopo: affrontare le domande in quello che Wicks chiama uno “spazio bianco totale”.

“Per quanto riguarda l’idrogeno geologico, non sappiamo come accelerarne la produzione, perché è una reazione chimica, né sappiamo veramente come progettare il sottosuolo in modo da poterlo estrarre in sicurezza”, afferma Wicks. “Stiamo cercando di coinvolgere le migliori competenze di ciascuno dei diversi gruppi per lavorare su questo aspetto con l’idea che l’insieme dovrebbe essere in grado di darci buone risposte in un lasso di tempo abbastanza rapido.”

Il geochimico Viacheslav Zgonnik, uno dei massimi esperti nel campo dell’idrogeno naturale, concorda sul fatto che l’elenco delle incognite è lungo, così come la strada verso i primi progetti commerciali. Ma afferma che gli sforzi per stimolare la produzione di idrogeno – per sfruttare la reazione naturale tra acqua e roccia – presentano “un enorme potenziale”.

“L’idea è trovare modi per accelerare tale reazione e controllarla in modo da poter produrre idrogeno su richiesta in luoghi specifici”, afferma Zgonnik, CEO e fondatore di Natural Hydrogen Energy, una startup con sede a Denver che ha locazioni minerarie per trivellazioni esplorative. negli Stati Uniti. “Se riusciamo a raggiungere questo obiettivo, significa che possiamo potenzialmente sostituire i combustibili fossili con l’idrogeno stimolato”.

“Un momento di chiusura del cerchio”

Per Abate il legame con il progetto è personale. Da bambino, nella sua città natale in Etiopia, le interruzioni di corrente erano un evento normale: le luci venivano spente tre, forse quattro giorni alla settimana. Candele tremolanti o lampade a cherosene che emettono sostanze inquinanti erano spesso l’unica fonte di luce per fare i compiti di notte.

“E per la casa dovevamo usare legna e carbone per lavori domestici come cucinare”, dice Abate. “Questa è stata la mia storia fino alla fine del liceo e prima di venire negli Stati Uniti per il college.”

Nel 1987, alcuni scavatori di pozzi alla ricerca di acqua nel Mali, nell’Africa occidentale, scoprirono un deposito naturale di idrogeno, provocando un’esplosione. Decenni dopo, l’imprenditore maliano Aliou Diallo e la sua compagnia canadese di petrolio e gas hanno sfruttato il pozzo e utilizzato un motore per bruciare idrogeno e produrre elettricità nel vicino villaggio.

Abbandonando petrolio e gas, Diallo ha lanciato Hydroma, la prima impresa di esplorazione dell’idrogeno al mondo. L’azienda sta perforando pozzi vicino al sito originale che hanno prodotto alte concentrazioni di gas.

“Quindi, quello che era conosciuto come un continente povero di energia ora sta generando speranza per il futuro del mondo”, afferma Abate. “Apprenderlo è stato un momento di chiusura del cerchio per me. Naturalmente il problema è globale; la soluzione è globale. Ma poi la connessione con il mio viaggio personale, oltre alla soluzione che arriva dal mio continente d’origine, mi rende personalmente connesso al problema e alla soluzione”.

Esperimenti su larga scala

Abate e i ricercatori del suo laboratorio stanno formulando una ricetta per un fluido che indurrà la reazione chimica che innesca la produzione di idrogeno nelle rocce. L’ingrediente principale è l’acqua, e il team sta testando materiali “semplici” per catalizzatori che accelereranno la reazione e a loro volta aumenteranno la quantità di idrogeno prodotto, afferma il postdoc Yifan Gao.

“Alcuni catalizzatori sono molto costosi e difficili da produrre e richiedono una produzione o una preparazione complessa”, afferma Gao. “Un catalizzatore economico e abbondante ci consentirà di aumentare il tasso di produzione: in questo modo, lo produciamo a un ritmo economicamente fattibile, ma anche con una resa economicamente fattibile”.

Le rocce ricche di ferro in cui avviene la reazione chimica si trovano negli Stati Uniti e nel mondo. Per ottimizzare la reazione in una varietà di composizioni geologiche e ambienti, Abate e Gao stanno sviluppando quello che chiamano un sistema ad alto rendimento, costituito da software di intelligenza artificiale e robotica, per testare diverse miscele di catalizzatori e simulare cosa accadrebbe se applicato alle rocce da varie regioni, con diverse condizioni esterne come temperatura e pressione.

“E da questo misuriamo la quantità di idrogeno che stiamo producendo per ogni possibile combinazione”, afferma Abate. “Quindi l’intelligenza artificiale imparerà dagli esperimenti e ci suggerirà: ‘Sulla base di ciò che ho imparato e sulla base della letteratura, suggerisco di testare questa composizione di materiale catalizzatore per questa roccia.'”

Il team sta scrivendo un articolo sul suo progetto e mira a pubblicare i risultati nei prossimi mesi.

La prossima tappa fondamentale del progetto, dopo lo sviluppo della ricetta del catalizzatore, sarà la progettazione di un reattore che servirà a due scopi. In primo luogo, dotato di tecnologie come la spettroscopia Raman, consentirà ai ricercatori di identificare e ottimizzare le condizioni chimiche che portano a tassi e rendimenti migliori della produzione di idrogeno. Il dispositivo su scala di laboratorio contribuirà inoltre alla progettazione di un reattore reale in grado di accelerare la produzione di idrogeno sul campo.

“Si tratterebbe di un reattore su scala vegetale che verrebbe impiantato nel sottosuolo”, afferma Abate.

Il progetto interdisciplinare sta anche sfruttando l’esperienza di Yang Shao-Horn, del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e DMSE del MIT, per l’analisi computazionale del catalizzatore, e di Esteban Gazel, uno scienziato della Cornell University che presterà la sua esperienza in geologia e geochimica. Si concentrerà sulla comprensione delle formazioni rocciose ultramafiche ricche di ferro negli Stati Uniti e nel mondo e su come reagiscono con l’acqua.

Per Wicks dell’ARPA-E, le domande che Abate e gli altri beneficiari delle sovvenzioni si pongono sono solo i primi, fondamentali passi in un territorio energetico inesplorato.

“Se riusciamo a capire come stimolare queste rocce a generare idrogeno, sollevandolo in modo sicuro, si libera davvero la potenziale fonte di energia”, afferma. Quindi l’industria emergente guarderà al petrolio e al gas per il know-how di perforazione, tubazioni ed estrazione del gas. “Come mi piace dire, questa è una tecnologia abilitante che speriamo, in un brevissimo termine, ci permetta di dire: ‘C’è davvero qualcosa lì?'”