Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next, donde se publicó originalmente como Hacia una técnica barata para obtener combustibles líquidos a partir de gas
¿Por qué la humanidad depende tanto del petróleo? No es porque el petróleo en sí se use, sino por los productos que se obtienen del mismo: materias primas químicas, combustibles, etc. Pero, eso sí, desde el punto de vista químico el petróleo no es la única forma de obtener esos productos, existen otras pero son más caras. La noticia, aparecida en Science, es que se ha encontrado un método barato para obtener materias primas químicas y, en última instancia, combustibles, a partir de los componentes del gas natural.
Pero antes de entrar en los detalles algo más técnicos permíteme que te ponga un ejemplo muy sencillo. Desde un punto de vista químico el problema de la dependencia del petróleo es muy similar a viajar a Málaga en coche desde el Puerto de las Pedrizas. Tienes dos opciones: una es una autovía de firme terrible, peligrosa, incómoda, con multitud de curvas, tramos de velocidad controlada y túneles del terror, pero es gratis; la otra es una autopista magnífica de larguísimas rectas y túneles magníficamente iluminados, pero tiene peaje. Resultado: la mayoría de usuarios se decanta por la vieja autovía.
Como es evidente, la vieja autovía es el petróleo y el descubrimiento que describimos a continuación el equivalente a quitar el peaje en la autopista. En ambos casos el uso del coche seguirá teniendo un impacto medioambiental, pero diferente.
En los últimos años estamos asistiendo a una revolución energética a cuenta del gas natural. No tanto porque se estén descubriendo nuevos yacimientos, que también, sino porque la disponibilidad de nuevas técnicas de extracción (alguna de ellas polémica; seguro que te suena la fracturación hidráulica, más conocida como fracking) está permitiendo tener acceso a unas cantidades de gas hasta hace poco inimaginables.
Pero, hoy día, la mayor parte del gas se quema, ya sea para calefacción o para obtener electricidad usando turbinas. A pesar de ello la industria química hace casi un siglo que dispone de las tecnologías necesarias para convertir los hidrocarburos primarios, los componentes del gas natural, en alcoholes y ésteres de alcohol, los productos a partir de los cuales puedes fabricar muchos plásticos, combustibles y otros productos de forma masiva. El único motivo por el que esta tecnología no se usa es porque requiere inversiones muy importantes en fábricas que tienen que trabajar a más de 800ºC, con todo lo que ello implica de complejidad de construcción y problemas de seguridad.
Lo que el equipo encabezado por Brian Hashiguchi, del Instituto de Investigación Scripps (Florida, EE.UU.), ha publicado en Science es su descubrimiento de un catalizador barato que es capaz de bajar la temperatura de proceso necesaria a unos muy manejables 180ºC.
Este equipo de investigadores comenzó a investigar en soluciones catalíticas al problema de reducir el coste de la transformación del gas natural hace más de 20 años. Desde entonces han encontrado muchas soluciones técnicamente correctas, catalizadores que hacían el trabajo. Pero resultaba que estos catalizadores (basados en platino, rodio o iridio) eran en sí mismos prohibitivamente caros y nunca se comercializaron.
Los catalizadores, que son una especie de intermediarios, lo que tienen que hacer, simplificando mucho, es conseguir que los hidrocarburos cambien sus enlaces C-H a C-O a un menor coste energético. Pero claro, para conseguirlo el catalizador tiene que lograr llegar hasta la molécula interesante y para ello tiene que quitar las del disolvente que haya en su camino, en lo que invierte a su vez una cantidad de energía. Igual que los barcos tienen distintos diseños de casco en función de lo que se quiera que hagan, llevar mucha carga, enfrentarse a grandes olas o planear a toda velocidad en un mar en calma, los investigadores se dieron cuenta de que los metales tienen diferentes estructuras electrónicas que pueden conseguir según qué cosas.
Buscaron una estructura electrónica que, teóricamente, hiciese más fácil apartar moléculas de disolvente, y la encontraron en el talio (III) y en el plomo (IV), metales de un precio muy razonable. Al hacer el experimento usando metano (uno de los principales componentes del gas natural) y talio se encontraron que la velocidad de reacción era ¡22 órdenes de magnitud! mayor que la que obtuvieron en las mismas condiciones con iridio.
Los químicos ahora tienen que enfrentarse a otro tipo de problema antes de que los catalizadores de talio y plomo puedan comercializarse y nuevas fábricas construirse. Los experimentos se han hecho en lotes; la industria química rentable para altos volúmenes de producción trabaja en continuo. Si esto se soluciona el mundo energético de los combustibles fósiles cambiará rápidamente en muy poco tiempo. Para esto sí hay dinero.
Referencia:
Hashiguchi B.G., Konnick M.M., Bischof S.M., Gustafson S.J., Devarajan D., Gunsalus N., Ess D.H. & Periana R.A. (2014). Main-Group Compounds Selectively Oxidize Mixtures of Methane, Ethane, and Propane to Alcohol Esters, Science, 343 (6176) 1232-1237. DOI: 10.1126/science.1249357
Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance
Tom Wood Gonzalez
Llevo años diciendo que no existe ninguna crisis energética, y casi me han linchado. El verdadero problema energético de la humanidad, es otro; es que no tenemos buenas tecnologías de almacenamiento de energía. Tenemos muchas formas de producir energías y mucho menos contaminantes que los químicos. Pero no sabemos cómo almacenarlas de forma barata y eficientemente.
Si invirtieramos mucho dinero en investigar y descubrir, nuevas tecnologías de almacenamiento de energía; todos nuestros estrés energéticos se disiparian. Me parece hasta más razonable por el momento, que gastar en investigaciones de fusión nuclear, tanto dinero.
Y podiamos dejar esas materias primas, para producir artículos materiales, que no pueden salir de la energía pura. Hasta que en la medida que se van agotando esos combustibles fósiles,; esos artículos puedan ser sustituidos, por otros orgánicos, o de residuos de las cosechas.
Yo tengo una gran esperanza en las fuentes no convencionales de energía; para producir hidrógeno. Wikipedia les dice renovables, creo.
http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_renovable
Una forma de acumular esa energía, y que puedan usarse cuando se necesiten. U otras formas parecidas de acumular esa energía, que en última instancia; sigue siendo solar.
Aquí ya se hablo algo de eso que digo; y en aquel entonces iba a comentar los mismo, pero se me olvido, o cogí miedo.
https://culturacientifica.com/2013/10/05/imre-gyuk-entrevistado-por-jesus-maria-goiri/
Pase trabajo para encontrarlo; porque no hay tag sobre energía; creo que de nada.
#próxima Cómo dejar de usar petróleo y seguir consumiendo sus derivados de forma barata | Experientia docet
[…] Continúa leyendo en el Cuaderno de Cultura Científica […]
Teresa Valdes-Solis (@tvaldessolis)
Hola César, una puntualización respecto al siguiente párrafo
«A pesar de ello la industria química hace casi un siglo que dispone de las tecnologías necesarias para convertir los hidrocarburos primarios, los componentes del gas natural, en alcoholes y ésteres de alcohol, los productos a partir de los cuales puedes fabricar muchos plásticos, combustibles y otros productos de forma masiva. El único motivo por el que esta tecnología no se usa es porque requiere inversiones muy importantes en fábricas que tienen que trabajar a más de 800ºC, con todo lo que ello implica de complejidad de construcción y problemas de seguridad»
En realidad la industria química sí está utilizando este procedimiento para la síntesis de un gran número de compuestos a partir del denominado gas de síntesis CO+H2, que por otra parte también puede obtenerse de la gasificación del carbón o de la biomasa. Es cierto que no se está utilizando para fabricar combustibles a gran escala (excepto en Sudáfrica, allí la empresa SASOL fabrica «combustibles sintéticos» a partir de carbón y gas natural) pero sí que se utiliza para la síntesis industrial de un gran número de compuestos, fundamentalmente amoniaco y metanol que a su vez constituyen prácticamente la base fundamental de la síntesis de productos químicos ya que a partir de ellos se obtiene urea, aminas y ácido nítrico (del amoniaco) y formaldehído (metanol) con la posterior formación de un gran número de resinas y plásticos.
Sin duda la obtención de un catalizador activo a temperaturas más bajas es una noticia muy importante, pues sin lugar a duda abaratará los costes de fabricación.
Lo de los 22 órdenes de magnitud respecto a la actividad del iridio me cuesta asimilarlo, bueno, si el iridio es inactivo…. no tengo acceso al artículo de momento, pero la comparación de la actividad de los catalizadores es un tema muy interesante y que a menudo no se hace correctamente… me lo leeré…
César Tomé
Gracias, Teresa.
Somos conscientes de ello aunque no lo hayamos recogido aquí. Este artícuo que escribí hace un par de añitos puede ser relevante: De por qué la gasolina a partir de aire sólo la utilizarán los coches deportivos de los ecologuais
Teresa Valdes-Solis (@tvaldessolis)
Ya me he leído el artículo, aunque la parte del mecanismo es complicada. En primer lugar, decir que sé bastante más de catálisis heterogénea que de catálisis homogénea y que una cosa que no había entendido en el post es que no pasan por CO+H2 si no que es una transformación directa a los productos. Punto a su favor.
Que los productos sean ésteres trifluoroacéticos de metanol, etanol etc. de concentración máxima 1.5 M en ácido trifluoroacético yo creo que es un punto en contra, además en ese caso tienes el doble de catalizador que de producto. La catálisis homogénea a gran escala y en continuo tiene muchísimos problemas, básicamente tienes que recuperar el catalizador, y para ello tienes que separarlo de una mezcla líquida (complicado) o perderlo (caro y en algunos casos puede perjudicar las propiedades finales del producto).
En cuanto a la comparación con el iridio… yo en el artículo (ni en la información suplementaria) no he encontrado que la velocidad de reacción sea 22 órdenes de magnitud mayor para el Tl que para el Ir. He encontrado que «Some of the earliest studies on ligand interaction with metal cations showthe rates of ligand exchange for the third row, main-group, d10 strong electrophiles such as HgII and TlIII are ~10^19 faster than for the transition metal d<10 cations such as IrIII or PtIV.» Esto no es necesariamente que la velocidad de reacción sea 19 órdenes de magnitud mayor, pues la etapa limitante de la velocidad de reacción puede ser diferente y las condiciones óptimas pueden no ser las mismas para uno u otro catalizador. En el artículo solo dan una constante de reacción aparente (para el Tl) con un exceso de etano de 33 veces (poco práctico en condiciones reales) de 9.0·10^-5 +-4.5·10^-6 (s·MPa)^-1 pero no miden la constante cinética aparence para el iridio en estas condiciones, que según la noticia debería ser del orden de 10^-26, que tiene que ser bastante dificil de medir.
Y una cosa más, a temperatura baja sí, pero a presiones elevadas, 800 psi equivalen a 5 MPa (unas 54 atmósferas…)
César Tomé
Genial. Muchas gracias, Teresa.
Alnair
Respecto al procesado de metano para obener líquidos orgánicos recientemente leí una noticia de otro grupo de trabajo que van a contruir un par de plantas piloto:
http://www.technologyreview.com/news/523146/chasing-the-dream-of-half-price-gasoline-from-natural-gas/
Parece que han optimizado un sistema para generar catalizadores nanoestructurados de forma muy rápida y ha podido probar más de 50.000 diferentes hasta encontrar uno que funciona muy bien.
César Tomé
Muy interesante. Muchas gracias.
Juan M. Ituarte
Hola César.
Tengo que empezar diciéndote que no me ha gustado la entrada. Te comento porqué. ¿Revolución energética, habida cuenta las nuevas técnicas de extracción? Ninguna revolución. Estamos extrayendo gas de los «viejos y conocidos» yacimientos con una bajísima TRE y, consecuentemente, altísimo (inasumible) coste económico. ¿Pero si los precios del gas han bajado en USA, campeones de esta técnica?, me dirás, y sí, eso precisamente ha ocasionado que las grandes productoras vayan retirándose, «perdiendo hasta la camisa» (como reconoció al TNYT Rex Tillerson, CEO de Exxon Mobil http://www.nytimes.com/2012/10/21/business/energy-environment/in-a-natural-gas-glut-big-winners-and-losers.html?pagewanted=all&_r=1&;), reconociendo que, al amparo del QE, una cantidad enorme de «primos» se sumarán a la fiesta.
Por otro lado, ¿del gas natural se puede obtener diésel? Me temo que no. ¿Cómo se va a mover la ingente cantidad de maquinaria que necesita la fractura hidraúlica, sobre todo atendiendo al rapidísimo declinar de los pozos que implica muchísima movilidad? y, ¿no necesitamos diésel para mover la maquinaria de la agricultura intensiva? Y, ¿tampoco para el transporte de mercancías?
Para acabar, tampoco se comenta nada, y hablando de energía parece imprescindible, sobre cuál es la TRE del proceso de transformación del gas natural en los productos finales que permitirían reducir el uso del petróleo.
Agradeciéndote la aportación y el esfuerzo (siempre es mucho más fácil «meterse» con un documento redactado que escribirlo; es fácil criticar lo que otro ha construido…), recibe un cordial saludo,
Juan M. Ituarte
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Carlos O.
La nueva tecnología será simplemente un parche que retrase el inevitable cambio en nuestro modo de vida: de un modo insostenible porque explotamos los recursos a un ritmo mayor al que se generan a un modo de vida más sostenible y más sencillo. Bien, se acaba el petroleo pero a través del gas conseguiremos materias primas y otros combustibles. Durarán poco y su explotación dañará más el ecosistema.
Cuanto antes abandonemos el capitalismo y el consumismo mejor para todos.
salu2!