La scoperta di idrogeno puro sotterraneo sta ridefinendo la comprensione di questo abbondante elemento e del suo potenziale come fonte di energia pulita. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti sta finanziando la ricerca per sfruttare questa risorsa, con progetti incentrati sull’ottimizzazione del processo di produzione naturale e sulla resa economica.
La Promessa dell’Idrogeno Geologico
L’idrogeno, l’elemento più abbondante nell’universo, è tipicamente trovato legato ad altri elementi, ad esempio, con l’ossigeno nell’acqua o con il carbonio nel metano. Tuttavia, la scoperta di tasche sotterranee di idrogeno puro sta mettendo in discussione questa assunzione. Queste riserve nascoste stanno attirando l’attenzione come potenziale fonte illimitata di energia priva di carbonio.
Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti è tra coloro che stanno prendendo nota. Quest’anno, ha assegnato 20 milioni di dollari in sovvenzioni di ricerca a 18 team provenienti da laboratori, università e aziende private. L’obiettivo: sviluppare tecnologie in grado di produrre carburante pulito ed economico da fonti di idrogeno sotterranee.
Noto come idrogeno geologico, questa risorsa si forma naturalmente quando l’acqua reagisce con rocce ricche di ferro, causando l’ossidazione del ferro. Tra i beneficiari delle sovvenzioni c’è un gruppo di ricerca guidato dal Professore Associato del MIT Iwnetim Abate. Con una sovvenzione di 1,3 milioni di dollari, il team di Abate mira a identificare le condizioni ottimali per la produzione di idrogeno sotterraneo. Il loro lavoro esaminerà fattori chiave come catalizzatori per innescare la reazione, temperatura, pressione e livelli di pH.
L’obiettivo finale è migliorare l’efficienza per la produzione su larga scala, rendendo l’idrogeno geologico una fonte energetica competitiva e sostenibile per le esigenze globali. L’indagine geologica stima che ci siano potenzialmente miliardi di tonnellate di idrogeno geologico sepolte nella crosta terrestre. Accumuli sono stati scoperti in tutto il mondo, e una serie di startup sta cercando depositi estraibili.
Abate sta cercando di avviare il processo di produzione naturale di idrogeno, implementando approcci proattivi che coinvolgono la stimolazione della produzione e il recupero del gas. “Miriamo ad ottimizzare i parametri di reazione per rendere la reazione più veloce e produrre idrogeno in modo economicamente fattibile”, afferma Abate, Professore di Sviluppo Chipman nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali (DMSE).
L’interesse globale e le prospettive commerciali
L’interesse per l’idrogeno geologico sta crescendo in un momento in cui i governi di tutto il mondo stanno cercando alternative energetiche prive di carbonio al petrolio e al gas. A dicembre, il Presidente francese Emmanuel Macron ha annunciato 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 terreno.
Attualmente l’idrogeno commerciale viene prodotto a 2 dollari al chilogrammo, principalmente per la produzione di fertilizzanti, prodotti chimici e acciaio, ma la maggior parte dei metodi implica 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 idrogeno a un dollaro al chilo, è competitivo con il gas naturale dal punto di vista del prezzo dell’energia”, afferma Douglas Wicks, direttore di programma presso l’Agenzia per i Progetti di Ricerca Avanzata – Energia (ARPA-E), l’organizzazione del Dipartimento dell’Energia che guida il programma di sovvenzioni per l’idrogeno geologico.
I beneficiari delle sovvenzioni ARPA-E includono la Colorado School of Mines, la Texas Tech University e il Los Alamos National Laboratory, oltre a aziende private tra cui Koloma, una startup di produzione di idrogeno che ha ricevuto finanziamenti da Amazon e Bill Gates. I progetti stessi sono diversificati, spaziando dall’applicazione di metodi industriali per la produzione e l’estrazione di idrogeno al sviluppo di modelli per comprendere la formazione dell’idrogeno nelle rocce.
Lo scopo: affrontare le questioni in quello che Wicks definisce un “totale spazio bianco”. “Nell’idrogeno geologico, non sappiamo come possiamo accelerarne la produzione, perché è una reazione chimica, né comprendiamo davvero come ingegnerizzare il sottosuolo in modo da poterlo estrarre in modo sicuro”, afferma Wicks. “Stiamo cercando di portare le migliori competenze di ciascuno dei diversi gruppi a lavorare su questo sotto l’idea che l’insieme dovrebbe essere in grado di darci buone risposte in un lasso di tempo abbastanza rapido”.
Il geochemico Viacheslav Zgonnik, uno dei principali 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 quella 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 concessioni minerarie per trivellazioni esplorative negli Stati Uniti. “Se possiamo raggiungere quell’obiettivo, significa che potremmo potenzialmente sostituire i combustibili fossili con idrogeno stimolato”.
Motivazioni personali e innovazioni
Per Abate, il legame con il progetto è personale. Da bambino nella sua città natale in Etiopia, i blackout erano un’occasione usuale: “Le luci erano spente tre, forse quattro giorni a settimana. Candele tremolanti o lampade a cherosene che emettono inquinanti erano spesso l’unica fonte di luce per fare i compiti di notte. E per la famiglia, dovevamo usare legna e carbone per compiti come cucinare”, racconta Abate.
“Questa era la mia storia fino alla fine delle scuole superiori e prima di venire negli Stati Uniti per il college”. Nel 1987, scavatori di pozzi in cerca d’acqua in Mali, nell’Africa occidentale, scoprirono un deposito naturale di idrogeno, causando un’esplosione. Decenni dopo, l’imprenditore maliano Aliou Diallo e la sua compagnia petrolifera canadese hanno sfruttato il pozzo e utilizzato un motore per bruciare idrogeno e alimentare l’elettricità nel villaggio vicino.
Abbandonando petrolio e gas, Diallo ha lanciato Hydroma, la prima impresa di esplorazione dell’idrogeno al mondo. L’azienda sta trivellando pozzi vicino al sito originale che hanno prodotto alte concentrazioni di gas. “Quello che era conosciuto come un continente povero di energia ora sta generando speranza per il futuro del mondo”, dice Abate.
“Apprendere questo è stato un momento di chiusura del cerchio per me. Naturalmente, il problema è globale; la soluzione è globale. Ma poi il collegamento con il mio percorso personale, oltre alla soluzione proveniente dal mio continente natale, mi rende personalmente connesso al problema e alla soluzione.
Esperimenti su larga scala
Abate e i ricercatori nel suo laboratorio stanno formulando una ricetta per un fluido che induca la reazione chimica che attiva 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 aumenteranno la quantità di idrogeno prodotto, afferma il dottorando Yifan Gao.
“Alcuni catalizzatori sono molto costosi e difficili da produrre, richiedendo una produzione o preparazione complessa”, dice Gao. “Un catalizzatore economico e abbondante ci permetterà di migliorare il tasso di produzione: in questo modo, lo produciamo a un tasso economicamente fattibile, ma anche con un rendimento economicamente fattibile”.
Le rocce ricche di ferro in cui avviene la reazione chimica possono essere trovate negli Stati Uniti e nel mondo. Per ottimizzare la reazione attraverso una diversità di composizioni geologiche e ambienti, Abate e Gao stanno sviluppando quello che chiamano un sistema ad alto rendimento, composto da software di intelligenza artificiale e robotica, per testare diverse miscele di catalizzatori e simulare cosa accadrebbe quando applicati a rocce provenienti da varie regioni, con diverse condizioni esterne come temperatura e pressione.
“E da questo, misuriamo quanto idrogeno stiamo producendo per ogni possibile combinazione”, afferma Abate. “Poi l’intelligenza artificiale imparerà dagli esperimenti e ci suggerirà: ‘In base a ciò che ho imparato e in base alla letteratura, ti 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. Il prossimo traguardo per il progetto, dopo aver sviluppato la ricetta del catalizzatore, è progettare un reattore che servirà a due scopi. Prima, dotato di tecnologie come la spettroscopia Raman, permetterà ai ricercatori di identificare e ottimizzare le condizioni chimiche che portano a tassi e rendimenti migliorati nella produzione di idrogeno.
Il dispositivo in scala di laboratorio informerà anche la progettazione di un reattore del mondo reale che possa accelerare la produzione di idrogeno sul campo. “Sarebbe un reattore su scala impiantistica che sarebbe 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 dell’Università di Cornell che fornirà la sua competenza 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 presso ARPA-E, le domande che Abate e gli altri beneficiari delle sovvenzioni stanno ponendo sono solo i primi, cruciali passi in un territorio energetico inesplorato. “Se riusciamo a capire come stimolare queste rocce a generare idrogeno, estrarlo in modo sicuro, si sblocca davvero una fonte energetica potenziale”, afferma.
Poi l’industria emergente si rivolgerà al petrolio e al gas per la perforazione, la canalizzazione e la conoscenza dell’estrazione del gas. “Come mi piace dire, questa è una tecnologia abilitante che speriamo, in un futuro molto breve, ci consentirà di dire: ‘C’è davvero qualcosa lì?'”.
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