La búsqueda para desarrollar hidrógeno como una fuente de energía limpia que podría frenar nuestra dependencia de los combustibles fósiles puede conducir a un lugar inesperado: el carbón. Un equipo de científicos de Penn State descubrió que el carbón puede representar una forma potencial de almacenar hidrógeno, al igual que las baterías almacenan energía, abordando un obstáculo importante en el desarrollo de una cadena de suministro de energía limpia.
“Descubrimos que el carbón puede ser esta batería geológica de hidrógeno”, dijo Shimin Liu, profesor asociado de ingeniería energética y mineral en Penn State. “Podrías inyectar y almacenar la energía del hidrógeno y tenerla allí cuando necesites usarla”.
El hidrógeno es un combustible de combustión limpia y se muestra prometedor para su uso en los sectores de mayor consumo energético de nuestra economía: transporte, generación de electricidad y fabricación. Pero queda mucho trabajo por hacer para construir una infraestructura de hidrógeno y convertirla en una fuente de energía asequible y fiable, dijeron los científicos.
Formaciones geológicas
Esto incluye desarrollar una forma de almacenar hidrógeno, que actualmente es costosa e ineficiente. Las formaciones geológicas son una opción intrigante, dijeron los científicos, porque pueden almacenar grandes cantidades de hidrógeno para satisfacer los picos y valles a medida que la demanda de energía cambia diariamente o estacionalmente.
“El carbón está bien estudiado y hemos estado produciendo comercialmente gas a partir del él durante casi medio siglo”, dijo Liu. “Lo entendemos. Tenemos la infraestructura. Creo que el carbón sería el lugar lógico para almacenar hidrógeno geológico”.
Para poner esto a prueba, los científicos analizaron ocho tipos de carbón de yacimientos en los Estados Unidos para comprender mejor su potencial de sorción y difusión, o cuánto hidrógeno pueden contener.
Los ocho carbones mostraron propiedades de sorción considerables, con el bituminoso de baja volatilidad del este de Virginia y el de antracita del este de Pensilvania con los mejores resultados en las pruebas, informaron los científicos en la revista Applied Energy .
El carbón, mejor que nadie
“Creo que es muy posible que el carbón sea la mejor opción para el almacenamiento geológico desde una perspectiva científica”, dijo Liu. “Descubrimos que supera a otras formaciones porque puede contener más, tiene infraestructura existente y está ampliamente disponible en todo el país y cerca de áreas pobladas”.
Los yacimientos de metano de capa de carbón agotados pueden ser los mejores candidatos. Estas vetas contienen gas natural no convencional como el metano y se han convertido en una importante fuente de energía de combustibles fósiles en las últimas décadas. El metano se adhiere a la superficie del carbón, en un proceso llamado adsorción.
De manera similar, inyectar hidrógeno en el carbón haría que ese gas absorbiera o se adhiriera al carbón. Estas formaciones a menudo tienen una capa de esquisto o lutita en la parte superior que actúa como un sello que mantiene el metano, o en este caso el hidrógeno, sellado hasta que se necesita y se bombea de nuevo, dijeron los científicos.
“Mucha gente define el carbón como una roca, pero en realidad es un polímero”, dijo Liu. “Tiene muchos poros pequeños que pueden almacenar mucho más gas. Entonces, el carbón es como una esponja que puede contener muchas más moléculas de hidrógeno en comparación con otros materiales que no son de carbono”.
La antracita, mejor posicionada
Los científicos diseñaron equipos especiales para realizar los experimentos. El carbón tiene una afinidad más débil con el hidrógeno en comparación con otros gases de sorción como el metano y el dióxido de carbono, por lo que el equipo presurizado tradicional para determinar la sorción no habría funcionado.
“Hicimos un diseño muy novedoso y muy desafiante”, dijo Liu. “Tomó años descubrir cómo hacer esto correctamente. Tuvimos que diseñar adecuadamente un sistema de experimentación, prueba y error basado en nuestra experiencia previa con carbones y esquistos”.
Según sus resultados, los científicos determinaron que los carbones de antracita y semiantracita son buenos candidatos para el almacenamiento de hidrógeno en vetas de carbón agotadas, y el carbón bituminoso de baja volatilidad son mejores candidatos para vetas de carbón gaseosas.
Nuevas oportunidades económicas a las zonas mineras
El desarrollo del almacenamiento de hidrógeno en las comunidades mineras del carbón podría brindar nuevas oportunidades económicas a estas regiones y, al mismo tiempo, ayudar a crear la infraestructura de hidrógeno de la nación.
“En la transición energética, son realmente las comunidades de carbón las que han sido las más afectadas económicamente”, dijo Liu. “Esta es sin duda una oportunidad para reutilizar la región carbonífera. Ya tienen la experiencia: el ingeniero energético y las habilidades. Si podemos construir una infraestructura y cambiar sus oportunidades económicas, creo que eso es algo que deberíamos considerar”.
El trabajo futuro se centrará en la difusividad dinámica y la permeabilidad dinámica del carbón, características que determinan la rapidez con la que se puede inyectar y bombear hidrógeno, dijeron los científicos.
“Creo que Penn State es el lugar adecuado para hacer toda esta investigación: tenemos las reservas de carbón, tenemos gas natural, tenemos la experiencia en ingeniería y economía en la Universidad”, dijo Liu. “Este es el lugar lógico para hacer esto”.
