Adsorción de hidrógeno en medios porosos naturales y rocas
El despliegue de infraestructuras para una economía basada en el hidrógeno requiere soluciones de almacenamiento masivo, siendo el Almacenamiento Subterráneo de Hidrógeno (UHS) una de las opciones más prometedoras. Sin embargo, la viabilidad técnica de estos proyectos enfrenta un desafío crítico: la falta de una caracterización precisa de las interacciones fisicoquímicas entre el gas y las formaciones geológicas. El problema central radica en la incertidumbre sobre los mecanismos de sorción y desorción, los cuales afectan directamente la eficiencia de recuperación, la integridad de los sellos (caprock) y el riesgo de fugas a largo plazo, debido a la alta variabilidad en los datos reportados y la influencia de variables ambientales complejas.
Para abordar esta brecha de conocimiento, Ariel Meyra y colegas de Noruega y el Reino Unido emplearon un enfoque multiescala que integra metodologías experimentales y computacionales. En el ámbito experimental, se evaluaron técnicas volumétricas (manométricas), que rastrean variaciones de presión, y gravimétricas, que utilizan microbalanzas ultrasensibles para medir cambios de masa en las muestras. Estos datos se complementaron con simulaciones de dinámica molecular (MD) y simulaciones de Monte Carlo (GCMC) para obtener una perspectiva a nivel atómico sobre las energías de interacción. Además, se aplicó un análisis estadístico riguroso para calibrar modelos de isotermas, identificando que el modelo de Sips es el que mejor describe el comportamiento en superficies heterogéneas como el carbón y las arcillas.
Los resultados confirman que la interacción del hidrógeno con las rocas está dominada por la fisisorción débil (fuerzas de van der Waals), lo que implica que el proceso es altamente sensible a la presión y la temperatura. Se identificó una jerarquía clara de capacidad de almacenamiento basada en la mineralogía: materiales como la sepiolita y la montmorillonita presentan las mayores capacidades de adsorción, mientras que en areniscas y carbonatos el efecto es casi insignificante. Un hallazgo fundamental para la ingeniería de reservorios es que la humedad natural de las rocas reduce drásticamente la capacidad de sorción, ya que las moléculas de agua compiten por los sitios de adherencia y bloquean los micropores, un factor frecuentemente ignorado en estudios previos con muestras secas.
Desde una perspectiva tecnológica, este estudio tiene implicaciones directas en la estimación de reservas recuperables y el diseño de “cushion gas”. El fenómeno de la histéresis (la diferencia entre el gas adsorbido y el liberado) revela que una fracción del hidrógeno inyectado puede quedar retenida permanentemente, representando una pérdida neta en el ciclo de almacenamiento. No obstante, este comportamiento abre puertas a aplicaciones innovadoras, como el uso de inyección de CO\(_2\) para desplazar hidrógeno natural atrapado en el subsuelo o la separación selectiva de mezclas H\(_2\)/CO\(_2\) en capas de carbón, aprovechando la mayor afinidad de las rocas por el dióxido de carbono. Asimismo, los datos son vitales para la seguridad de los repositorios de residuos radiactivos, donde la sorción ayuda a mitigar la acumulación de presión por generación de gas.
En el ámbito académico, el impacto de este trabajo se centra en la identificación de fallas de reproducibilidad y la necesidad urgente de protocolos experimentales estandarizados. La investigación subraya que los modelos actuales deben evolucionar desde sistemas estáticos hacia marcos dinámicos que consideren la competencia multigas (H\(_2\), CH\(_4\), CO\(_2\)) y los efectos de escala entre el laboratorio y el campo. Al sintetizar estas variables, el estudio proporciona una base científica sólida para que ingenieros y científicos de materiales optimicen las futuras “baterías geológicas”, fundamentales para la estabilidad de las redes de energía renovable.