MATEO PASQUALI Y CARL MESTERS

En un artículo de opinión publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, el experto en materiales de carbono Matteo Pasquali y Carl Mesters, jefe científico retirado de química y catálisis de Shell, proponen dividir las moléculas de hidrocarburos en hidrógeno y carbono sólido.

Las restricciones a las emisiones de CO2 están enfrentando a la sociedad con múltiples desafíos masivos: crear nuevas fuentes de energía limpia más allá de la solar y la eólica; electrificar nuestros sistemas de transporte y utilizar materiales más livianos; descarbonizar el sector industrial; y lidiar con las consecuencias económicas asociadas con la contracción de la industria de los hidrocarburos fósiles, que representa aproximadamente el 7% de la economía mundial

A primera vista, las soluciones a estos dilemas parecen contradecirse. Al enfrentar este desafío con perspectivas de la academia y la industria, creemos que puede haber un camino a seguir que influya positivamente en todos estos objetivos: dejar de usar petróleo y gas como combustibles y, en cambio, usarlos como fuentes de hidrógeno como combustible y carbono para fines útiles, materiales omnipresentes.

Ya en la década de 1880, el carbono sólido se generaba industrialmente a partir del gas natural y otros hidrocarburos para su uso en productos. Un problema: los grados de carbono generados en el pasado (por ejemplo, negro de humo) carecen de integridad estructural y tienen aplicaciones limitadas. 

Pero los nanomateriales de carbono, un tipo de carbono sólido descrito por primera vez hace unos 30 años, se pueden sintetizar mediante la división de hidrocarburos y podrían desplazar al acero, el aluminio y el cemento (es decir, mercados masivos que representan más del 50% de los emisiones de CO2 del sector industrial). Todo esto podría ser posible al mismo tiempo que proporciona soluciones livianas para componentes estructurales y eléctricos en sistemas de transporte y generación de CO2.-hidrógeno libre. Es un escenario potencialmente beneficioso para todos. Pero trazar un camino a seguir requerirá mapear cuidadosamente y navegar las interconexiones entre los sistemas de energía y materiales.

Nexo material-energía

Cada año extraemos más de 10 gigatoneladas (Gt) de carbono y 1,3 Gt de hidrógeno en forma de petróleo, gas natural y carbón. Casi todos estos recursos se queman para generar energía, lo que hace que más de 30 Gt de CO2 ingresen a la atmósfera, lo que es insostenible a la luz del cambio climático. La única excepción significativa son los polímeros, que fijan 0,35 Gt por año de recursos de hidrocarburos en valiosos materiales sólidos. Al mismo tiempo, cada año el mundo dedica más del 12% de su producción de energía a los metales primarios; la mayor parte de esta energía se destina a la extracción, refinación y procesamiento de minerales metálicos en metales utilizables. 

A diferencia de los hidrocarburos, que se extraen a alta concentración y en forma reducida, los metales se extraen a baja concentración [típicamente alrededor del 50% para el mineral de hierro, el 15% para el mineral de aluminio y menos del 1% para el mineral de cobre]. Están en forma oxidada y deben reducirse utilizando carbono, que genera 3,7 Gt de emisiones de CO2, más de la mitad de las emisiones del sector industrial, además de los conocidos impactos ambientales de la extracción de minerales metálicos. El hormigón (a través de la producción de cemento a partir de carbonato de calcio) es el otro infractor principal.

Entonces, ¿por qué no hacemos un uso más eficaz del carbono contenido en el petróleo y el gas en la fabricación de materiales? Sorprendentemente, los investigadores, la industria, los responsables de la formulación de políticas y el público en general no se están centrando en este nexo "materiales-energía". 

El concepto de crear materiales a partir de hidrocarburos no resultaba atractivo cuando los hidrocarburos se consideraban escasos y las preocupaciones sobre el cambio climático eran mínimas; La industria utilizó combustibles fósiles para generar energía y reducir los minerales de óxidos metálicos. Sin embargo, ahora se acepta comúnmente que los hidrocarburos pueden extraerse en un gran exceso de la capacidad del ecosistema para absorber su conversión en CO2 para generar energía (en ausencia de captura y secuestro de CO2).

Los hidrocarburos se pueden dividir directamente en sus elementos: hidrógeno y carbono sólido en estado de oxidación cero; para el metano, dicha transformación ocurre espontáneamente a temperatura moderada (por encima de 700 ° C) sin emisiones de CO2, a través de la reacción de pirólisis CH 4 → C + 2H 2. Esta reacción ligeramente endotérmica consume 4,7 gigajulios (GJ) por tonelada de metano pirolizado; sin embargo, produce 250 kilogramos de hidrógeno, con un contenido energético de 35,5 GJ (63% del contenido energético total del metano). 

Por lo tanto, en el límite termodinámico (es decir, un proceso ideal), se puede producir una tonelada de carbono sólido mientras se cogeneran 41,1 GJ de energía limpia neta como hidrógeno. El hidrógeno es extremadamente valioso porque se puede convertir en electricidad con alta eficiencia (60% a 80%) utilizando celdas de combustible y, como el combustible de transporte más simple y efectivo, podría desplazar hidrocarburos líquidos. De hecho, el hidrógeno puede derivarse de la división directa del metano utilizando ocho veces menos energía renovable que el hidrógeno "verde" obtenido mediante la electrólisis del agua. Todavía,

La idea de la conversión directa de metano en hidrógeno y carbono sólido se revisa aproximadamente cada dos décadas. Las alternativas para el carbono sólido eran limitadas hasta ahora: el carbono existe en su estado elemental (oxidación cero) como diamante y carbono grafítico; un ejemplo a gran escala de carbono elemental es el negro de carbono, que se puede producir mediante pirólisis. 

El uso del negro de carbón se remonta a la época preindustrial y se ha producido a partir de gas natural durante más de un siglo; Sin embargo, el mercado mundial de negro de humo está por debajo de ∼15 millones de toneladas (Mt) por año debido a sus aplicaciones limitadas, principalmente como resultado de su falta de integridad estructural. Por lo tanto, es poco probable que el negro de carbón proporcione una salida importante para el gas natural o que contribuya al nexo material-energía.

Entonces, ¿por qué podría ser fructífera la división de metano a gran escala ahora? La aparición de carbono a nanoescala es el verdadero cambio más importante. Debido al uso potencial de este material en automóviles, vehículos pesados ​​y aeronaves, la producción a gran escala de nanomateriales de carbono a partir de metano podría cogenerar cantidades significativas de hidrógeno (decenas a cientos de Mt por año), proporcionando valor económico adicional así como energía limpia. Además, en comparación con el aluminio y las fibras de carbono, estos nanomateriales de carbono livianos podrían proporcionar una vía baja en CO2 para reducir el peso de las flotas de transporte electrificadas. 

Los nanotubos de carbono (CNT), una subclase de fullerenos descubierta a principios de la década de 1990, comparten muchas características con los polímeros debido a su diámetro delgado y forma alargada y pueden formar materiales macroscópicos autoportantes.

Curiosamente, las rutas para convertir el metano en CNT se publicaron ya en 1997, y el gas natural y los hidrocarburos ligeros son actualmente la materia prima preferida de varios productores de CNT. 

Sin embargo, durante las últimas dos décadas, los productores desarrollaron materiales CNT y más tarde grafeno, dentro de un marco de productos químicos especializados (esencialmente, reemplazo de alto valor para el negro de carbón) y con poca o ninguna orientación del mercado de aplicaciones en términos de qué subclases de CNT pueden producir macromateriales útiles. 

El campo ha evolucionado hasta el punto de que los CNT de alta calidad están disponibles en varias toneladas por año, y se han convertido en fibras, láminas y otros materiales macroscópicos que podrían desplazar al acero, el aluminio y el cobre en una multitud de aplicaciones. Sin embargo, tienen precios de materiales exóticos (US$ 2.000 a US$ 100.000 por kilogramo), lo que hace que su introducción sea imposible más allá de una gama muy limitada de aplicaciones de alta gama (principalmente en la industria aeroespacial, electrónica y medicina).

Sin embargo, los costos de producción se han reducido en tres órdenes de magnitud en los últimos veinte años y están a una distancia sorprendente de volverse competitivos; en comparación, los paneles solares tardaron cuatro décadas en lograr una reducción de costos comparable y dos más en ser competitivos en costos para uso civil. 

Los precios de los materiales derivados de CNT en el rango de US$ 20 a US$ 30 por kilogramo podrían permitir la penetración en la mayoría de los mercados de cobre, aluminio y acero inoxidable; a US$ 10 por kilogramo, los materiales CNT podrían usarse en vehículos para reemplazar componentes de acero (más de 100 Mt por año). 

Por debajo de US$ 3 por kilogramo, el desplazamiento de materiales de construcción parece factible en grandes infraestructuras (por ejemplo, puentes) e incluso edificios de oficinas y casas. Sin embargo, el conocimiento del proceso necesario para la ampliación es incompleto y está dividido en varias organizaciones y países,

Entonces, ¿pueden los CNT reemplazar los metales a gran escala (más de 100 Mt por año)? El rápido aumento de los plásticos en el transcurso de unas pocas décadas muestra que tal revolución es posible. Ese crecimiento explosivo fue impulsado en parte por la necesidad de utilizar los subproductos ligeros de la refinación de petróleo, que las refinerías estaban quemando. Los CNT podrían proporcionar una solución comparable a la combustión de hidrocarburos.

Los paralelos históricos con el desarrollo del acero, el aluminio y las poliolefinas, combinados con el análisis de límites termodinámicos, indican que el costo de producción de energía de los CNT debería ser menor que el del polietileno. En esencia, puede ser posible lograr eficiencias de producción superiores con los CNT en comparación con el acero o el polietileno porque la materia prima necesaria para su producción tiene una oferta abundante y la demanda de hidrógeno es cada vez mayor. El desafío es cambiar la perspectiva de los CNT de los materiales y aditivos de alto rendimiento hacia el uso a gran escala, mientras se desarrollan simultáneamente las tecnologías de proceso y síntesis adecuadas.

Sin embargo, las eficiencias del proceso objetivo están lejos de ser intimidantes. Una planta de energía de gas natural de 1 gigavatio (GW) utiliza 1,13 Mt por año de gas natural y emite 3,12 Mt por año de CO2; con una eficiencia del 20%, ese mismo gas natural podría producir suficientes nanomateriales de carbono para desplazar 0,85 Mt de aluminio mientras genera 0,1 Mt de hidrógeno neto (o 0,28 Mt de hidrógeno total si se utilizan 0,85 GW de energía renovable para ejecutar el proceso). Esto ahorraría 10,2 Mt por año de emisiones de CO2 y 2,8 GW de energía necesaria para fabricar aluminio. 

Si el hidrógeno se utiliza localmente para alimentar la planta, esto produce una reducción neta de 14,3 Mt por año de CO2 y un ahorro neto de 1,8 GW de energía, mientras que genera 0,1 Mt por año de hidrógeno. Si se utiliza energía verde para impulsar el proceso, el CO2 las emisiones se reducen en 16,1 Mt por año mientras se producen 0,28 Mt por año de hidrógeno con un ahorro energético neto de la red de 0,95 GW. 

En particular, la generación de 0,28 Mt por año de hidrógeno verde (a través de una electrólisis de agua con una eficiencia del 66%) requeriría 1,93 GW de energía renovable. CO2 y ahorro de energía sería de alrededor de 50% menor si el carbono se utiliza para desplazar el acero, aunque una mayor cantidad de acero sería desplazada debido a la densidad más alta de acero.

La contribución potencial a la reducción de las emisiones de CO2 es enorme; la transición de los nueve mil millones de seres humanos proyectados a los niveles de vida del mundo desarrollado (10 toneladas de acero instalado por persona) requerirá la producción de más de 70 Gt de acero virgen para fines de siglo; las emisiones de CO2 asociadas (125 Gt) aumentarán el CO2 atmosférico en más de 30 partes por millón; absorberán el 16% de nuestro presupuesto restante de emisiones de CO2 si queremos mantener el aumento de la temperatura global por debajo de 2 ° C. 

Cualquier reducción de esta línea de base mediante el desplazamiento del acero con CNT reducirá proporcionalmente el crecimiento de CO2, que actualmente es la única opción para limitar el CO2 inducido por metales.el crecimiento es reducir la cantidad de metales que usamos.

Por supuesto, existen desafíos reales. Se deben desarrollar cadenas de valor, fabricación y suministro completas para los NTC, incluida la conversión de NTC en artículos macroscópicos semiacabados, como fibras, láminas y materiales tridimensionales, y la incorporación de dichos artículos en productos y aplicaciones. 

Paralelamente, se deben estandarizar los grados de los materiales, se debe desarrollar una nueva fuerza laboral y se deben establecer estándares de salud y ambientales para los materiales, los procesos y el uso y los ciclos de vida de los productos. Y, tomando una lección de los plásticos baratos fácilmente disponibles y el enorme problema de desechos que han presentado, deberíamos considerar el reciclaje y los procedimientos de fin de vida desde el principio para los CNT.

Soluciones creativas

Desafortunadamente, a pesar del progreso constante en las propiedades y la fabricación de CNT, el apetito por el desarrollo de CNT se ha desacelerado (y quizás se ha estancado). En ausencia de un esfuerzo deliberado, la transición de usar hidrocarburos como combustibles a usarlos como fuente de materiales sólidos puede que nunca se materialice. 

Esta transición no ocurrirá replicando los modelos de desarrollo de materiales anteriores a la década de 1980, en los que solo unas pocas empresas realizaban investigación, desarrollo y comercialización, como era el caso de las aramidas (Kevlar) o las fibras de carbono. El tamaño del problema es demasiado grande para que lo aborde una sola corporación, y el tamaño actual de la oportunidad es demasiado pequeño para que cualquier corporación establecida se preocupe.

Sin embargo, no está claro si algún gobierno o coalición de gobiernos tiene la capacidad o la voluntad política para asumir este desafío. Lo más abrumador es que, mientras que la energía y el hidrógeno son productos básicos, los materiales no lo son. 

Para tener éxito, cada clase de material requería el rediseño de los productos finales y las tecnologías de fabricación; considere, por ejemplo, las diferencias en arquitectura y construcción entre un puente de piedra con arco romano y un puente colgante de acero. Los CNT y otros nuevos materiales de carbono deberán seguir el mismo camino de diversificación en la fabricación y el uso, al tiempo que mantienen la eficiencia y la economía de escala en la producción primaria.

Los gobiernos siempre tendrán un papel importante, pero los investigadores y los actores de la industria deberían considerar generar avances rápidos a través de la innovación abierta y la autoorganización, por ejemplo, levantando las protecciones de patentes en casos seleccionados para permitir que más investigadores hagan contribuciones rápidas. 

Estos enfoques han tenido éxito en otras áreas, como el software, pero en gran medida no se han probado en materiales, fabricación y sistemas de energía a gran escala. Los filántropos podrían tener el mayor impacto de todos los grupos al brindar apoyo a largo plazo y exigir el intercambio de conocimientos.

Este esfuerzo podría ser organizado por un instituto sin fines de lucro o una red de institutos conectados que traspasen las fronteras internacionales, permitiendo que las empresas colaboren entre sí y con investigadores académicos en las incipientes cadenas de valor de materiales. 

Los gobiernos y los filántropos podrían financiar estos esfuerzos coordinando los mecanismos existentes o desbloqueando otros nuevos (como en el caso de los Institutos de Fabricación Avanzada y los Centros del Departamento de Energía en los Estados Unidos o los Buques insignia en Europa); al igual que en la energía solar, los gobiernos podrían convertirse en clientes tempranos y acelerar la introducción (por ejemplo, mediante incentivos). 

La coordinación de la producción y conversión de CNT con el desarrollo de aplicaciones será clave, porque muchas aplicaciones no se pueden explorar con niveles de materiales a escala de gramo (o incluso a escala de kilogramo).

Cada uno de estos participantes tendrá sus propios incentivos: las compañías de petróleo y gas preservarán el valor de su materia prima de hidrocarburos y podrían capturar un valor adicional implementando tecnologías de división directa a escala y suministrando hidrógeno limpio y los materiales básicos de CNT. 

Las empresas del sector industrial y los productos de los clientes podrían capturar valor al convertir los CNT en formas y formas utilizables y productos mejorados; lo que es más importante, descarbonizarán sus propias operaciones y todas sus cadenas de suministro, respondiendo a la demanda de los consumidores y las presiones sociales. Los académicos podrán abordar problemas fundamentales emocionantes e impactantes. Los filántropos y los gobiernos tendrán una ruta para abordar el cambio climático y, al mismo tiempo, brindarán un camino para el crecimiento económico. En tono rimbombante,

En el peor de los casos, desarrollaremos una nueva clase de materiales de carbono que complementarán y ampliarán las capacidades de los polímeros, las fibras de carbono y el negro de carbono. En el mejor de los casos, transformaremos nuestros sistemas de producción de materiales actuales, frustrantemente ineficientes, que requieren consumir carbono valioso para fabricar materiales que contienen poco o nada de él, al tiempo que emiten carbono como el CO2 de desecho. Cualquiera de los dos escenarios producirá un futuro mejor para todos nosotros.