Un nuevo catalizador abre la puerta a la captura de CO2 en la conversión de carbón a gasolina

Las proyecciones mundiales de consumo de energía esperan que el carbón se mantenga como una de las principales fuentes de energía del mundo en las próximas décadas, y una parte cada vez mayor se utilizará en CTL, la conversión de carbón en combustibles líquidos. Investigadores del Instituto Nacional de Energía Limpia y Baja en Carbono en Beijing, China, y la Universidad de Tecnología de Eindhoven, Países Bajos, han desarrollado catalizadores a base de hierro que reducen sustancialmente los costos operativos y abren la puerta a la captura de las grandes cantidades de CO2 generadas por CTL, según informan en un artículo publicado en la revista 'Science Advances'.

Para comprender la importancia de este logro, se requiere cierto conocimiento del proceso de CTL. La primera etapa es la conversión de carbón a gas de síntesis, una mezcla de monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H2).

Utilizando el llamado proceso de Fischer-Tropsch, estos componentes se convierten en combustibles líquidos. Pero antes de que se pueda hacer, la composición del gas de síntesis debe cambiarse para asegurarse de que al final salgan los productos correctos: los combustibles líquidos. Así que parte del CO se elimina del gas de síntesis (rechazado) convirtiéndolo en CO2, en un proceso llamado 'cambio de agua-gas'.

En esta cadena, los investigadores abordaron un problema clave en el reactor Fischer-Tropsch. Como en la mayoría de los procesos químicos, se requieren catalizadores para permitir las reacciones. Los catalizadores CTL son principalmente a base de hierro. Desafortunadamente, convierten un 30 por ciento del CO en CO2 no deseado, un subproducto que en esta etapa es difícil de capturar y, por lo tanto, a menudo se libera en grandes volúmenes y consume mucha energía sin beneficio.

Los investigadores de Beijing y Eindhoven descubrieron que la liberación de CO2 se debe al hecho de que los catalizadores a base de hierro no son puros, sino que constan de varios componentes. Pudieron producir una forma pura de un carburo de hierro específico, llamado carburo de hierro épsilon, que tiene una selectividad de CO2 muy baja. En otras palabras, casi no genera CO2.

Ya se conocía su existencia, pero hasta ahora no había sido lo suficientemente estable como para el duro proceso de Fischer-Tropsch. El equipo de investigación chino-holandés ahora ha demostrado que esta inestabilidad es causada por impurezas en el catalizador. El carburo de hierro épsilon de fase pura que desarrollaron es, por el contrario, estable y permanece funcional, incluso en condiciones de procesamiento industrial típicas de 23 bar y 250ºC.

REDUCCIÓN DE LA ENERGÍA NECESARIA Y LOS COSTOS OPERATIVOS

El nuevo catalizador elimina casi toda la generación de CO2 en el reactor Fischer-Tropsch. Esto puede reducir la energía necesaria y los costos operativos en aproximadamente 25 millones de euros por año para una planta típica de CTL.

El CO2 que se liberó anteriormente en esta etapa ahora se puede eliminar en la etapa anterior de cambio de agua y gas. Es una buena noticia, porque es mucho más fácil de capturar en esta etapa. La tecnología para hacer que esto ocurra se llama CCUS (captura, utilización y almacenamiento de carbono). Ha sido desarrollado por otras partes y ya se está aplicando en varias plantas piloto.

La conversión de carbón a combustibles líquidos es especialmente relevante en los países ricos en carbón que tienen que importar petróleo para su suministro de combustibles líquidos, como China y Estados Unidos.

"Somos conscientes de que nuestra nueva tecnología facilita el uso de combustibles fósiles derivados del carbón. Sin embargo, es muy probable que los países ricos en carbón sigan explotando sus reservas de carbón en las próximas décadas. Queremos ayudarlos a hacer esto en el futuro de forma más sostenible", dice el investigador principal Emiel Hensen, de la Universidad de Tecnología de Eindhoven.

Es probable que los resultados de la investigación reduzcan los esfuerzos para desarrollar catalizadores CTL basados en cobalto. Los catalizadores basados ??en cobalto no tienen el problema del CO2, pero son costosos y se están convirtiendo rápidamente en un recurso escaso debido al uso de cobalto en las baterías, que representan la mitad del consumo total de cobalto.

Hensen espera que los nuevos catalizadores desarrollados también desempeñen un papel importante en la futura industria de la energía y los productos químicos básicos. La materia prima no será carbón o gas, sino residuos y biomasa. Syngas continuará siendo el elemento central, ya que también es el producto intermedio en la conversión de estas nuevas materias primas.