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Geologic Hydrogen: an introduction.
The first quarter of the 21st century has been profoundly impacted by the simultaneous emergence of two critical crises: the COVID-19 pandemic and the accelerated transition towards hydrocarbon-free energy. These events have collectively expedited the urgent need for carbon-free energy sources based on renewable electric generation, with minimal or no reliance on nuclear power, alongside advancements in energy accumulation and distribution technologies. While the combined use of "solar farms" and "windmills" is generally effective for industrial and household energy needs, it proves unreliable when energy must be stored in "portable portions" large enough to meet the demands of land, sea, and air transportation. The composition of these "portable energy packets" remains a topic of intense debate, although hydrogen is increasingly being recognized as the preferred energy vector.
General view of the Lhertz lake (Arièja, Central Pyrenees, France). Lherzolites outcrops are clearly visible at left, with a marked dark color.
Hydrogen is primarily produced through water electrolysis or steam reforming of methane, processes that generate CO₂ and achieve energy efficiencies of up to 80%. Once produced, hydrogen (H₂) can be utilized either as a direct fuel (burned) or in combination with fuel cell technology to generate electricity on demand. Historically, geologic hydrogen (H₂G; also known as native, natural, white, golden) has been considered a geological oddity. However, the discovery of a significant H₂G accumulation in Bourakebougou (Mali) has generated considerable excitement. Similar occurrences have been identified in Russia, Brazil, the USA, and even in Europe, despite its intense geological and anthropogenic disturbances.
The potential existence of economically viable natural hydrogen reservoirs in the Earth's upper crust could fundamentally shift the hydrogen paradigm from being merely an energy vector to becoming a primary energy source. This hydrogen development relies on state-of-the-art technologies that are notably dependent on rare metals such as platinum (Pt), ruthenium (Ru), palladium (Pd), rare earth elements (REE), cobalt (Co), and nickel (Ni). The anticipated hydrogen-based economy is intrinsically linked to the need for new metal sources, necessitating a deeper understanding of the natural mechanisms of metal mobilization, transportation, and accumulation. This, in turn, could lead to the discovery of new types of ore deposits. The simultaneous discovery of H₂G sources and new rare metal deposits reinforces Erik Zimmerman's 1951 assertion that “Resources are not, they become,” making it more relevant than ever.
While H₂G is mostly found in non-sedimentary rocks, its exploration should follow the petroleum industry's concepts of "source rock, reservoir, and trap." Three primary types of source rocks have been identified:
Altered basic/ultrabasic rocks,
Iron-rich cratons/shields, and
Uranium-rich rocks.
In the first two rock types, H₂ is likely generated through the oxidation of Fe(II) by H₂O in the presence of natural catalysts (PGEs). In uranium-rich rocks, H₂ is produced through the radiolysis of H₂O by natural radioactivity. Under certain conditions, H₂ can transform into abiotic methane (CH4) through Fischer–Tropsch reactions, as observed in the serpentinized peridotites of Ronda (Andalusia, Spain). Therefore, the detection of abiotic methane could serve as a useful indicator of the presence of native hydrogen.
Spanish / Castellano / Castellà
El Hidrógeno geológico: una introducción
El primer cuarto del siglo XXI ha estado marcado por el estallido colateral de dos crisis críticas: la pandemia de COVID y la aceleración de la transición hacia una energía libre de hidrocarburos. Ambas, combinadas, han acelerado la necesidad de fuentes de energía sin carbono basadas en la generación eléctrica renovable (con poca o ninguna participación de energía nuclear), acumulación y distribución. La aproximación conjunta de "granjas solares" y "molinos de viento" es principalmente válida para las necesidades industriales y domésticas, pero se vuelve poco fiable cuando la energía necesita ser empaquetada en "porciones portátiles" lo suficientemente grandes como para proporcionar energía adecuada para el transporte terrestre, marítimo y aéreo. La composición de estos "paquetes de energía portátiles" aún es motivo de debate, aunque el hidrógeno finalmente está emergiendo como el vector energético preferido.
El hidrógeno se produce principalmente mediante electrólisis del agua o reformado de vapor de metano, con generación concomitante de CO₂, y una eficiencia energética de hasta el 80%. Luego, el H₂ puede ser utilizado ya sea como combustible en sí mismo (es decir, quemado) o en combinación con tecnología de células de combustible para obtener electricidad bajo demanda. El hidrógeno geológico (H₂G; también llamado nativo, natural, blanco, dorado) ha sido visto durante mucho tiempo como una rareza geológica, pero el descubrimiento de una acumulación volumétricamente importante de H₂ en Bourakebougou (Mali) ha generado abundantes expectativas. Se ha determinado que ocurrencias similares existen en Rusia, Brasil, EE.UU. e incluso en Europa, a pesar de su intensa perturbación geológica antrópica.
Por lo tanto, la posible existencia de reservorios económicos de hidrógeno geológico en la corteza terrestre superior podría llevar a un cambio en el paradigma del hidrógeno, de vector energético a fuente de energía. Este desarrollo del hidrógeno depende de tecnología de vanguardia que se caracteriza por ser extremadamente demandante de metales raros (Pt, Ru, Pd, REE, Co, Ni, ...). Además, esta economía basada en el hidrógeno, largamente anticipada, pero nueva, está íntimamente entrelazada con la necesidad de nuevas fuentes de metales, exigiendo un conocimiento más profundo de los mecanismos naturales de movilización, transporte y acumulación de metales y, por lo tanto, conduciendo al descubrimiento de nuevas tipologías de depósitos minerales. Tanto el descubrimiento de fuentes de H₂G como de nuevos metales raros hacen que la afirmación de Erik Zimmerman de 1951 ("Los recursos no son, se convierten") sea más actual que nunca.
Aunque el H₂G se encuentra mayormente en rocas no sedimentarias, su exploración debería seguir los conceptos petroleros de "roca madre, reservorio y trampa". Ya se han identificado tres tipos principales de rocas madre: (1) rocas básicas/ultrabásicas alteradas; (2) cratones/escudos ricos en hierro; (3) rocas ricas en uranio. En los dos primeros conjuntos de rocas, el H2 posiblemente se genera a través de la oxidación de Fe(II) por H₂O en presencia de catalizadores naturales (PGE). En las rocas ricas en uranio, el H2 es atribuible a la radiólisis del H₂O por la radiactividad natural. La transformación de H2 en CH4 abiótico puede ocurrir bajo ciertas circunstancias a través de reacciones de Fischer-Tropsch, como en las peridotitas serpentinizadas de Ronda (Andalucía, España). Esto significa que la detección de metano abiótico puede ser un indicador útil para la presencia de hidrógeno nativo.
Català
Xerrada (en català) que vaig presentar a la Tertúlia "Energia i Societat", el dia 21/03/2024.
L'Hidrogen Geològic: una introducció.
El primer quart del segle XXI ha estat profundament impactat per l’emergència simultània de dues crisis crítiques: la pandèmia de COVID-19 i la transició accelerada cap a una energia lliure d’hidrocarburs. Aquests esdeveniments han accelerat urgentment la necessitat de fonts d’energia lliures de carboni basades en la generació elèctrica renovable, amb una mínima o nul·la dependència de l’energia nuclear, a més d’avançaments en tecnologies d’acumulació i distribució d’energia. Tot i que la combinació de "granges solars" i "molins de vent" és generalment efectiva per a les necessitats energètiques industrials i domèstiques, esdevé poc fiable quan l’energia ha de ser emmagatzemada en "porcions portàtils" prou grans per satisfer les demandes del transport terrestre, marítim i aeri. La composició d’aquestes "porcions d’energia portàtils" continua sent un tema de debat intens, tot i que l’hidrogen cada cop és més reconegut com el vector energètic preferit.
L’hidrogen es produeix principalment mitjançant l’electròlisi de l’aigua o la reforma mitjançant vapor d'aigua del metà (CH4), processos que generen CO₂ i aconsegueixen eficiències energètiques de fins al 80%. Un cop produït, l’hidrogen (H₂) pot ser utilitzat com a combustible directe (cremat) o en combinació amb la tecnologia de piles de combustible per generar electricitat a demanda. Històricament, l’hidrogen natiu (H₂G; altrament dit nadiu, natural, blanc, daurat) ha estat considerat una raresa geològica. No obstant això, el descobriment d’una acumulació significativa de H₂G a Bourakebougou (Mali) ha generat una considerable emoció. S’han identificat ocurrències similars a Rússia, Brasil, els EUA i fins i tot a Europa, malgrat les seves intenses pertorbacions geològiques i antropogèniques.
L’existència potencial de reservoris econòmicament viables d’hidrogen natural a la part superior de l’escorça terrestre podria canviar fonamentalment el paradigma de l’hidrogen de ser merament un vector energètic a convertir-se en una font d’energia principal. Aquest desenvolupament de l’hidrogen depèn de tecnologies de punta que són notablement dependents de metalls rars com el platí (Pt), el ruteni (Ru), el pal·ladi (Pd), els elements de terres rares (REE), el cobalt (Co) i el níquel (Ni). L’esperada economia basada en l’hidrogen està intrínsecament vinculada a la necessitat de noves fonts de metalls, la qual cosa requereix una comprensió més profunda dels mecanismes naturals de mobilització, transport i acumulació de metalls. Això, al seu torn, podria conduir al descobriment de nous tipus de dipòsits de minerals. El descobriment simultani de fonts de H₂G i nous dipòsits de metalls rars reforça l’afirmació d’Erik Zimmerman de 1951 que "Els recursos no són, esdevenen", fent-la més rellevant que mai.
Tot i que el H₂G es troba majoritàriament en roques no sedimentàries, la seva exploració hauria de seguir els conceptes de la indústria del petroli de "roca mare, reservori i trampa". S’han identificat tres tipus principals de roques mare: (1) roques bàsiques/ultrabàsiques alterades, (2) cratons/escuts rics en ferro, i (3) roques riques en urani. En els dos primers tipus de roques, l’H2 probablement es genera a través de l’oxidació de Fe (II) per H₂O en presència de catalitzadors naturals (PGE’s). En les roques riques en urani, l’H2 es produeix a través de la radiòlisi de l’H₂O per radioactivitat natural. En certes condicions, l’H₂ pot transformar-se en metà abiòtic (CH4) mitjançant reaccions Fischer-Tropsch, com s’ha observat en les peridotites serpentinitzades de Ronda (Andalusia, Espanya). Per tant, la detecció de metà abiòtic podria servir com a indicador útil de la presència d’hidrogen natiu.
(My) Publications & Talks on Geological Hydrogen
Publications:
Tritlla, J. (2023).- "Sí, el hidrógeno natural existe". The Conversation, edición en español. Online article.
Tritlla, J. (2023).- "Sí, el hidrógeno natural existe". Revista Maya de Geociencias, Mayo 2023, pp 48-51; Republicado de The Conversation (en español).
Tritlla, J. (2023).- "Is native hydrogen a possible source of energy?". North Africa & Europe Energy Exhibition & Conference, NAEPEC 2023, 13-16 March 2023, Barcelona (Spain). Conference Abstract.
Talks:
Tritlla, J. (2024).- "Geologic hydrogen: A renewable, CO2-free source of energy? ". Foro Sectorial del Hidrógeno del Basque Energy Cluster EIC- Energy Intelligence Center (Campus Abanto, Bilbao).
Tritlla, J. (2024).- "Native hydrogen: A renewable, CO2-free source of energy? State-of-the-Art@2024". 3er Encuentro de la Vertical de Producción del Corredor Vasco del hidrógeno (BH2C asociación), martes 9 de abril del 2024 en TECNALIA (Donosti / San Sebastián).
Tritlla, J. (2024).- "Hidrogen natural: tenen raó Science i Forbes?". Tertulia Energia i Societat, 21-03-2024.
Tritlla, J. (2023).- "Is native hydrogen a possible source of energy?". North Africa & Europe Energy Exhibition & Conference, NAEPEC 2023, 13-16 March 2023, Barcelona (Spain).
Interviews, news, etc ...
Catanzaro, M. (2024).- "El Hidrógeno Geológico da esperanza a la transición verde" Interview for El Periódico newspaper (in spanish).
Comabella, M. (2024).- "El hidrógeno dorado: una fuente de energía natural bajo los Pirineos". Noticias / El Cazador de Cerebros.
Linkedln Feeds:
2024-06-09 Ponencia (presentation) at the Foro Sectorial del Hidrógeno
2024-04-09 Talk in Tecnalia Donosti / San Sebastían (Spain)
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