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Valorizar el dióxido de carbono en productos de interés energético o industrial plantea grandes retos a los investigadores

Valorización del CO2: ¿Residuo o materia prima?

Víctor A. de la Peña O’Shea, Laura Collado, Juan Coronado, Prabhas Jana, Julio Núñez, David Serrano, Blanca Sierra. Unidad de Procesos Termoquímicos del Instituto Imdea Energía09/11/2011

9 de noviembre de 2011

La dependencia de los combustibles fósiles, junto con el uso de tecnologías energéticas ineficientes, ha conducido a un incremento desmedido de las emisiones antropogénicas de CO2, que están dando lugar a graves problemas medioambientales como el calentamiento global. A día de hoy, se están realizando grandes esfuerzos en paliar este problema, por medio del desarrollo de tecnologías energéticas más eficientes, el uso de energías renovables y la utilización de procesos de captura y almacenamiento. Aunque el gran reto que se plantea es la investigación en procesos de valorización de CO2 en productos de interés energético o industrial.
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En una sociedad donde el continuo progreso tecnológico e industrial da lugar a un consumo de energía que supera con creces las reservas fósiles naturales, uno de los mayores retos a los que debemos enfrentarnos es al impulso de nuevas tecnologías que permitan hacer frente a estas necesidades energéticas y promuevan un desarrollo sostenible. En la actualidad, las fuentes de energía primaria fundamentales son los combustibles fósiles (petróleo, gas natural y carbón) que aportan el 80% de la energía total que consumimos. El resto está repartido entre energía nuclear, hidroeléctrica y otras energías renovables.

Dentro de este panorama tecnológico y energético mundial, la demanda de combustibles fósiles se ha incrementado de una manera tan desmesurada que está provocando, además, enormes daños medioambientales. Durante los últimos años se ha producido un incremento casi exponencial de emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera, fruto de un modelo energético no sostenible basado en combustibles fósiles. Las emisiones antropogénicas de CO2 (incluidos los efectos indirectos de la deforestación) se han estimado en unas 25,7 Gt/año. Este incremento del CO2 atmosférico es uno de los principales responsables del calentamiento global debido al efecto invernadero, ya que las vías naturales de fijación del dióxido de carbono por la plantas (fotosíntesis) o en los océanos (formación de CaCO3) no resultan suficientes para eliminar la gran cantidad de CO2 producida por el uso de combustibles fósiles.

Recientemente la Agencia Internacional de la Energía ha publicado el informe ‘CO2 Emissions from Fuel Combustion’ en su edición 2011, que servirá de base para la 17ª sesión de la conferencia de los Estados Parte en la Convención del Cambio Climático, que tendrá lugar en Durban, Sudáfrica, en el presente año 2011. Este informe muestra que los países en vías de desarrollo han incrementado sus emisiones de CO2 hasta 2009, mientras que los países desarrollados disminuyeron de manera muy acusada dichas emisiones, alcanzando niveles de 6,4% por debajo de las emisiones colectivas en 1990. Esta disminución de las emisiones ha sido principalmente gracias a la entrada en vigor del Protocolo de Kyoto puso de manifiesto la necesidad de reducir las emisiones antropogénicas de dióxido de carbono mediante la aplicación de un conjunto de medidas destinadas a cambiar el actual modelo energético.

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Además, de acuerdo con el IPCC (Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático), para estabilizar la concentración de CO2 en la atmósfera a 550 ppm (umbral por encima del cual se agudizan los problemas medioambientales y de salud), es necesario lograr una reducción en las emisiones de CO2 del 50-60% antes del 2050. Así, la reciente adopción de una Política Energética Europea y su transposición al ámbito español marca ambiciosos objetivos en la reducción de emisiones para el año 2020 (20%) y recomendaciones para el año 2050 (50%), y similares porcentajes para la penetración de las energías renovables. Para la consecución de estos objetivos es imprescindible: 1) la mejora de la eficiencia de los sistemas de generación y uso de energía, 2) la utilización de energías renovables y no contaminantes, 3) la investigación y desarrollo en tecnologías eficientes en los procesos de post-tratamiento de CO2 que incluirían secuestro, almacenamiento y sobre todo valorización.

Dentro de estos desafíos, uno de los más importantes es la sustitución paulatina de los actuales combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural). Como alternativas se baraja, principalmente, la utilización de fuentes de energía renovables (eólica, solar, entre otras). Además, la utilización de combustibles derivados de la biomasa contribuye a una disminución muy notable de las emisiones CO2. Así, con la motivación de conseguir que el 30% del combustible usado sea derivado de la biomasa, se han desarrollado un gran número de nuevas tecnologías que dan lugar a estos combustibles. Por otra parte, el hidrógeno se postula como un vector energético de gran potencial de aplicación e impacto tanto en el ámbito del transporte, como en el del almacenamiento de energía para aplicaciones estacionarias.

En lo que se refiere a los métodos de captura de CO2 (absorción, adsorción y procesos de membrana), y a pesar del desarrollo de estas tecnologías, durante los últimos años, su aplicación no es suficiente para paliar significativamente de una manera sostenible la gran cantidad de las emisiones producidas. Además, su posterior transporte y/o almacenamiento, ya sea en formaciones geológicas, depósitos subterráneos, terrestres o en océanos, presenta ciertos inconvenientes. Aparte de incrementar el coste de producción energética en un 30%, implica un gasto de energía adicional, con sus correspondientes emisiones de CO2, exigiendo acondicionamiento de los lugares de almacenamiento. Asimismo, existen incógnitas sobre la seguridad definitiva de los mismos.

Por lo tanto, una de las vías en las que se centra la investigación actual en diferentes áreas es la producción de combustibles y productos con alta demanda industrial por medio de la valorización de CO2. En la actualidad cerca de 110 Mt de CO2 son convertidas cada año en productos químicos como: urea (70 Mt/año), carbonatos inorgánicos y pigmentos (cerca de 30 Mt/año) o se usan como aditivos en la síntesis de metanol (6 Mt/año). Otros productos químicos de valor añadido, obtenidos a partir de la valorización de CO2 son el ácido salicílico (20 kT de CO2 por año) y carbonato de propileno (unos pocos kilotones para año) ocupan una pequeña parte del mercado. Por otra parte, 18 Mt/año son utilizadas como fluidos tecnológicos, así como en la industria alimenticia y la agroquímica. Teniendo en cuenta estos datos, solo, cerca del 1% del CO2 emitido, es reutilizado y valorizado en productos de valor añadido. Por lo tanto, el planteamiento de nuevas estrategias en I+D+i que den lugar a una solución al problemas puede ofrecer un horizonte muy prometedor desde el punto de vista económico y medioambiental que puede conducir a una ‘Economía del CO2’.

El principal obstáculo al que se enfrentan este tipo de investigaciones es la gran estabilidad que posee la molécula de dióxido de carbono, lo que la convierte en una materia prima muy difícil de activar, a diferencia de otros reactivos como el monóxido de carbono. Por lo tanto, se requiere un gran aporte energético. En este sentido, es necesario realizar procesos de valorización de CO2 que basen su aporte energético en fuentes de energía renovables como por ejemplo la energía solar.

Por lo tanto, el desarrollo de una economía basada en el CO2 debería estar centrada en la optimización de los actuales procesos y en nuevas tecnologías de valorización de CO2 que permita su aplicación a nivel industrial como:

  • Avances de las tecnologías de separación y purificación más eficientes y económicamente rentables.
  • Mejora de los procesos de valorización biológica de CO2 usando biomasa de carácter no alimentario (terrestre y acuática) para la producción de productos químicos y combustibles.
  • Desarrollo de procesos de valorización química de CO2, por medio de: a) la síntesis de productos de alto valor añadido como productos farmacéuticos, polímeros o materiales aplicados en construcción, b) Producción de combustibles como metano, metanol o Gas de síntesis, c) Uso como solvente (CO2 supercrítico) en procesos de purificación y conservación en la industria alimentaria.
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Figura 1. Esquema de un proceso global de valorización de CO2 (Fuente: Instituto Imdea Energía).
Dentro del primer grupo, la utilización de CO2 para la síntesis de compuestos químicos es un claro ejemplo de un proceso basado en un desarrollo ‘químico sostenible’. Dentro de este contexto, cabe destacar el gran avance que han sufrido durante los últimos años los catalizadores utilizados en procesos de carboxilación de olefinas u otros substratos que dan lugar a la formación de ácidos carboxílicos o lactonas de gran interés en la industria de la química fina. Así como la producción de carbonatos lineares o cíclicos que son la base de solventes, aditivos para gasolinas o monómeros para la producción de polímeros.

Por otra parte, uno de los grandes retos dentro de los procesos de valorización de CO2 es la producción de combustibles por medio de la reducción del dióxido de carbono a otras moléculas como C1-Cn o intermedios oxigenados que se caracterizan por un bajo O/C ratio y un alto H/C ratio. Este tipo de reacciones requieren un gran aporte de energía, por lo tanto es necesario la investigación en catalizadores que permitan disminuir la energía de activación de estos procesos.

La gran mayoría de los desarrollos realizados en este campo están basados en los procesos naturales de reducción de CO2 a otras moléculas C1 que son llevados a cabo por un gran número de microorganismos como algas y bacterias. Desde el punto de vista industrial diferentes procesos de hidrogenación de dióxido de carbono han sido realizados, llevándose a cabo grandes avances en el uso de catalizadores homogéneos para la producción de derivados del ácido fórmico.

Por otra parte se están realizando grandes esfuerzos en el desarrollo de catalizadores y tecnologías para la producción de:

  • Gas de síntesis (syngas) de gran importancia en la industria química y energética. La producción de este syngas es llevada a cabo por medio de la reacción de reformado seco de metano usando catalizadores principalmente basados en níquel. El gas de síntesis producido es usado para la producción de hidrocarburos de cadena larga (diésel y gasolina) y alcoholes por medio de la síntesis Fischer-Tropsch.
  • Producción de metanol. Este es uno de los procesos más importantes en lo que se refiere al desarrollo de catalizadores para la hidrogenación del CO2 de los últimos 10 años. Este proceso combina la hidrogenación de monóxido y del dióxido de carbono utilizando catalizadores de Cu/ZnO en condiciones de reacción de entre 250-300 °C y 5-10 MPa.
  • Fotosíntesis artificial. Dentro de los nuevos retos planteados, una de las vías que actualmente suscita más interés consiste en la producción de combustibles y productos de interés industrial por medio de la valorización fotocatalítica de CO2 en condiciones suaves usando H2O como agente de sacrificio y luz solar como fuente de energía (Fotosíntesis artificial). Esta temática de investigación es uno de los grandes retos científicos relacionados con el ámbito de la energía y la catálisis, que se está desarrollando actualmente en el Instituto Imdea Energía.

La Fotosíntesis Artificial implica el acoplamiento de dos procesos: a) Por un lado, se produce la reducción del CO2, este es un complejo proceso multielectrónico que tiene lugar en una escala temporal muy corta, que lo convierte en una etapa muy difícil de controlar, b) Para que el proceso global tenga un balance neto de cargas igual a cero otros compuestos deben ser oxidados (donadores de electrones). Estos donadores tienen que ser compuestos abundantes y económicos para dar lugar a una alta producción de combustibles sin un elevado coste. El donador de electrones más adecuado es el agua, al igual que ocurre durante la fotosíntesis. Teniendo en cuenta que en los procesos de combustión de hidrocarburos los productos finales son CO2 y H2O, la posibilidad de convertir estos dos productos, de nuevo, en reactivos y volver a producir combustible es un gran desafío.

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Figura 2. Esquema de un proceso de fotosíntesis artificial basado en un catalizador semiconductor. (Fuente: Instituto Imdea Energía).

Con el fin de dar solución a este desafío, en el Instituto Imdea-Energía se están investigando nuevos sistemas catalíticos basados en la utilización de óxidos semiconductores modificados con el fin de llevar a cabo la reacción de foto-reducción de CO2 utilizando luz solar. Estos materiales son además modificados con el uso de uso de metales soportados y no metales dopando óxidos semiconductores. Gracias al uso de estos elementos se inhibe la reacción de recombinación electrón-hueco y facilita la transferencia electrónica de los reactivos adsorbidos. Además, se producen variaciones de la estructura electrónica del semiconductor permitiendo su utilización en el rango espectral de la luz visible. Por otro lado, pueden actuar como cocatalizadores y facilitar las reacciones de hidrogenación.

Aunque se están llevando a cabo una gran cantidad de avances en el diseño y síntesis de diferentes catalizadores multifuncionales, quedan muchas preguntas por contestar que son fundamentales en los procesos de valorización de CO2.

Aunque se están llevando a cabo grandes avances en el diseño y síntesis de diferentes catalizadores multifuncionales, quedan muchas preguntas por contestar sobre la valorización de CO2