Penemuan hidrogen murni bawah tanah mengubah pemahaman tentang unsur melimpah ini dan potensinya sebagai sumber energi ramah lingkungan.
Departemen Energi AS mendanai penelitian untuk memanfaatkan sumber daya ini, dengan proyek-proyek yang berfokus pada optimalisasi proses produksi alami dan menjadikannya layak secara ekonomi.
Janji Hidrogen Geologi
Hidrogen, unsur paling melimpah di alam semesta, biasanya ditemukan terikat dengan unsur lain—misalnya, dengan oksigen dalam air atau dengan karbon dalam metana. Namun, penemuan kantong hidrogen murni di bawah tanah yang terjadi secara alami menantang asumsi ini. Cadangan tersembunyi ini menarik perhatian karena berpotensi menjadi sumber energi bebas karbon yang tidak terbatas.
Departemen Energi AS termasuk di antara mereka yang memperhatikan hal ini. Tahun ini, mereka memberikan hibah penelitian senilai $20 juta kepada 18 tim dari laboratorium, universitas, dan perusahaan swasta. Tujuannya: untuk mengembangkan teknologi yang dapat menghasilkan bahan bakar ramah lingkungan dan hemat biaya dari sumber hidrogen bawah tanah.
Dikenal sebagai hidrogen geologis, sumber daya ini terbentuk secara alami ketika air bereaksi dengan batuan kaya zat besi, menyebabkan besi teroksidasi. Di antara penerima hibah adalah kelompok penelitian yang dipimpin oleh MIT Asisten Profesor Iwnetim Abate. Dengan hibah sebesar $1,3 juta, tim Abate bertujuan untuk mengidentifikasi kondisi optimal untuk memproduksi hidrogen di bawah tanah. Pekerjaan mereka akan memeriksa faktor-faktor kunci seperti katalis yang memicu reaksi, suhu, tekanan, dan tingkat pH. Tujuan utamanya adalah untuk meningkatkan efisiensi produksi skala besar, menjadikan hidrogen geologis sebagai sumber energi yang kompetitif dan layak untuk kebutuhan global.
Survei Geologi AS memperkirakan ada potensi miliaran ton hidrogen geologis yang terkubur di kerak bumi. Akumulasi telah ditemukan di seluruh dunia, dan banyak perusahaan rintisan mencari simpanan yang dapat diekstraksi. Abate berupaya untuk memulai proses produksi hidrogen alami, dengan menerapkan pendekatan “proaktif” yang melibatkan stimulasi produksi dan pemanenan gas.
“Kami bertujuan untuk mengoptimalkan parameter reaksi agar reaksi lebih cepat dan menghasilkan hidrogen dengan cara yang layak secara ekonomi,” kata Abate, Profesor Pengembangan Chipman di Departemen Ilmu dan Teknik Material (DMSE). Penelitian Abate berpusat pada perancangan material dan teknologi untuk transisi energi terbarukan, termasuk baterai generasi mendatang dan metode kimia baru untuk penyimpanan energi.
Kepentingan Global dan Prospek Komersial
Ketertarikan terhadap hidrogen geologis semakin meningkat pada saat pemerintah di seluruh dunia mencari alternatif energi bebas karbon selain minyak dan gas. Pada bulan Desember, Presiden Prancis Emmanuel Macron mengatakan pemerintahnya akan menyediakan dana untuk mengeksplorasi hidrogen alami. Dan pada bulan Februari, saksi dari pemerintah dan sektor swasta memberi pengarahan kepada anggota parlemen AS tentang peluang untuk mengekstraksi hidrogen dari dalam tanah.
Saat ini hidrogen komersial diproduksi dengan harga $2 per kilogram, sebagian besar untuk pupuk, bahan kimia, dan produksi baja, namun sebagian besar metodenya melibatkan pembakaran bahan bakar fosil, yang melepaskan karbon yang memanaskan bumi. “Hidrogen hijau” yang diproduksi dengan energi terbarukan memang menjanjikan, namun dengan harga $7 per kilogram, hal ini mahal.
“Jika Anda mendapatkan hidrogen dengan harga satu dolar per kilo, maka hal tersebut akan bersaing dengan gas alam dalam hal harga energi,” kata Douglas Wicks, direktur program di Advanced Research Projects Agency – Energy (ARPA-E), organisasi terkemuka di Departemen Energi. program hibah hidrogen geologi.
Penerima hibah ARPA-E termasuk Colorado School of Mines, Texas Tech University, dan Los Alamos National Laboratory, ditambah perusahaan swasta termasuk Koloma, sebuah startup produksi hidrogen yang telah menerima dana dari Amazon dan Bill Gates. Proyeknya sendiri beragam, mulai dari penerapan metode industri minyak dan gas untuk produksi dan ekstraksi hidrogen hingga pengembangan model untuk memahami pembentukan hidrogen di batuan. Tujuannya: untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan yang disebut Wicks sebagai “ruang putih total”.
“Dalam hidrogen geologis, kita tidak tahu bagaimana kita dapat mempercepat produksinya, karena ini merupakan reaksi kimia, dan kita juga tidak benar-benar memahami bagaimana merekayasa bawah permukaan sehingga kita dapat mengekstraksinya dengan aman,” kata Wicks. “Kami mencoba untuk menggunakan keterampilan terbaik dari masing-masing kelompok untuk mengerjakan hal ini dengan gagasan bahwa kelompok tersebut harus dapat memberikan kami jawaban yang baik dalam jangka waktu yang cukup cepat.”
Ahli geokimia Viacheslav Zgonnik, salah satu pakar terkemuka di bidang hidrogen alami, setuju bahwa masih banyak hal yang belum diketahui, begitu pula jalan menuju proyek komersial pertama. Namun dia mengatakan upaya untuk merangsang produksi hidrogen – untuk memanfaatkan reaksi alami antara air dan batu – menghadirkan “potensi yang luar biasa.”
“Idenya adalah menemukan cara untuk mempercepat reaksi tersebut dan mengendalikannya sehingga kita dapat memproduksi hidrogen sesuai permintaan di tempat-tempat tertentu,” kata Zgonnik, CEO dan pendiri Natural Hydrogen Energy, sebuah startup berbasis di Denver yang memiliki sewa mineral untuk pengeboran eksplorasi. di Amerika Serikat. “Jika kita bisa mencapai tujuan tersebut, berarti kita berpotensi mengganti bahan bakar fosil dengan hidrogen terstimulasi.”
Motivasi dan Inovasi Pribadi
Bagi Abate, koneksi ke proyek ini bersifat pribadi. Sebagai seorang anak yang tinggal di kampung halamannya di Etiopia, pemadaman listrik adalah kejadian biasa – lampu padam tiga, mungkin empat hari dalam seminggu. Lilin yang berkedip-kedip atau lampu minyak tanah yang mengeluarkan polutan seringkali menjadi satu-satunya sumber penerangan untuk mengerjakan pekerjaan rumah di malam hari.
“Dan untuk rumah tangga, kami harus menggunakan kayu dan arang untuk melakukan pekerjaan seperti memasak,” kata Abate. “Itulah kisah saya hingga akhir sekolah menengah atas dan sebelum saya datang ke AS untuk kuliah.”
Pada tahun 1987, para penggali sumur yang melakukan pengeboran air di Mali di Afrika Barat menemukan deposit hidrogen alami, sehingga menyebabkan ledakan. Beberapa dekade kemudian, pengusaha Mali Aliou Diallo dan perusahaan minyak dan gas Kanada miliknya menyadap sumur tersebut dan menggunakan mesin untuk membakar hidrogen dan menggerakkan listrik di desa terdekat.
Meninggalkan minyak dan gas, Diallo meluncurkan Hydroma, perusahaan eksplorasi hidrogen pertama di dunia. Perusahaan sedang mengebor sumur di dekat lokasi aslinya yang menghasilkan gas dengan konsentrasi tinggi.
“Jadi, apa yang dulu dikenal sebagai benua miskin energi kini memberikan harapan bagi masa depan dunia,” kata Abate. “Mempelajari hal itu adalah momen yang sangat berharga bagi saya. Tentu saja masalahnya bersifat global; solusinya bersifat global. Namun hubungan dengan perjalanan pribadi saya, ditambah solusi yang datang dari benua asal saya, membuat saya secara pribadi terhubung dengan masalah dan solusinya.”
Eksperimen Berskala Itu
Abate dan peneliti di laboratoriumnya sedang merumuskan resep cairan yang akan menginduksi reaksi kimia yang memicu produksi hidrogen di batuan. Bahan utamanya adalah air, dan tim sedang menguji bahan “sederhana” untuk katalis yang akan mempercepat reaksi dan pada gilirannya meningkatkan jumlah hidrogen yang dihasilkan, kata postdoc Yifan Gao.
“Beberapa katalis sangat mahal dan sulit diproduksi, sehingga memerlukan produksi atau persiapan yang rumit,” kata Gao. “Katalis yang murah dan berlimpah akan memungkinkan kami meningkatkan laju produksi — dengan cara itu, kami memproduksinya pada tingkat yang layak secara ekonomi, namun juga dengan hasil yang layak secara ekonomi.”
Batuan kaya zat besi tempat terjadinya reaksi kimia dapat ditemukan di Amerika Serikat dan dunia. Untuk mengoptimalkan reaksi di berbagai komposisi geologi dan lingkungan, Abate dan Gao mengembangkan apa yang mereka sebut sistem throughput tinggi, yang terdiri dari kecerdasan buatan perangkat lunak dan robotika, untuk menguji campuran katalis yang berbeda dan mensimulasikan apa yang akan terjadi jika diterapkan pada batuan dari berbagai wilayah, dengan kondisi eksternal berbeda seperti suhu dan tekanan.
“Dan dari situ, kami mengukur berapa banyak hidrogen yang kami produksi untuk setiap kemungkinan kombinasi,” kata Abate. “Kemudian AI akan belajar dari eksperimen tersebut dan menyarankan kepada kami, 'Berdasarkan apa yang telah saya pelajari dan berdasarkan literatur, saya sarankan Anda menguji komposisi bahan katalis untuk batuan ini.'”
Tim ini sedang menulis makalah tentang proyeknya dan berencana mempublikasikan temuannya dalam beberapa bulan mendatang.
Tonggak sejarah proyek berikutnya, setelah mengembangkan resep katalis, adalah merancang reaktor yang akan melayani dua tujuan. Pertama, dilengkapi dengan teknologi seperti spektroskopi Raman, hal ini akan memungkinkan para peneliti untuk mengidentifikasi dan mengoptimalkan kondisi kimia yang mengarah pada peningkatan laju dan hasil produksi hidrogen. Perangkat skala laboratorium juga akan menginformasikan desain reaktor dunia nyata yang dapat mempercepat produksi hidrogen di lapangan.
“Itu akan menjadi reaktor skala pabrik yang akan ditanamkan ke bawah permukaan,” kata Abate.
Proyek lintas disiplin ini juga memanfaatkan keahlian Yang Shao-Horn, dari Departemen Teknik Mesin dan DMSE MIT, untuk analisis komputasi katalis, dan Esteban Gazel, seorang ilmuwan Universitas Cornell yang akan meminjamkan keahliannya di bidang geologi dan geokimia. Dia akan fokus pada pemahaman formasi batuan ultrabasa yang kaya akan zat besi di seluruh Amerika Serikat dan dunia serta bagaimana mereka bereaksi dengan air.
Bagi Wicks di ARPA-E, pertanyaan yang diajukan Abate dan penerima hibah lainnya hanyalah langkah pertama dan penting dalam bidang energi yang belum dipetakan.
“Jika kita dapat memahami cara menstimulasi batuan ini untuk menghasilkan hidrogen dan memproduksinya dengan aman, maka hal ini akan benar-benar membuka sumber energi potensial,” katanya. Kemudian industri yang sedang berkembang akan beralih ke minyak dan gas untuk pengeboran, perpipaan, dan ekstraksi gas. “Seperti yang ingin saya katakan, teknologi ini memungkinkan kita berharap, dalam jangka pendek, memungkinkan kita untuk bertanya, 'Apakah benar-benar ada sesuatu di sana?'”
Terkait: Keretakan Berusia Miliaran Tahun Ini Dapat Memberi Kita Pasokan Hidrogen Alami yang Hampir Tak Ada Habisnya
