La reacción de Sabatier o proceso Sabatier produce metano y agua a partir de una reacción de hidrógeno con dióxido de carbono a temperaturas elevadas (óptimamente 300–400 °C) y presiones (quizás 3 MPa [1] ) en presencia de un catalizador de níquel . Fue descubierta por los químicos franceses Paul Sabatier y Jean-Baptiste Senderens en 1897. Opcionalmente, el rutenio sobre alúmina (óxido de aluminio) produce un catalizador más eficiente. Se describe mediante la siguiente reacción exotérmica : [2]
Existe desacuerdo sobre si la metanización del CO 2 ocurre primero adsorbiendo asociativamente un átomo de hidrógeno y formando intermediarios de oxígeno antes de la hidrogenación o disociándose y formando un carbonilo antes de ser hidrogenado. [3]
Se cree que la metanización del CO ocurre a través de un mecanismo disociativo donde el enlace carbono-oxígeno se rompe antes de la hidrogenación y solo se observa un mecanismo asociativo en altas concentraciones de H2 .
Las reacciones de metanización sobre diferentes catalizadores metálicos , incluidos Ni, [4] Ru [5] y Rh [6], se han investigado ampliamente para la producción de CH4 a partir de gas de síntesis y otras iniciativas de generación de energía a gas. [3] El níquel es el catalizador más utilizado debido a su alta selectividad y bajo costo. [2]
La metanización es un paso importante en la creación de gas natural sintético o sustituto (GNS). [7] El carbón o la madera se someten a gasificación, lo que crea un gas pobre que debe sufrir metanización para producir un gas utilizable que solo necesita pasar por un paso de purificación final.
La primera planta comercial de gas sintético se inauguró en 1984 y es la planta Great Plains Synfuels en Beulah, Dakota del Norte. [2] En 2016, todavía está operativa y produce 1500 MW de gas natural sintético utilizando carbón como fuente de carbono. En los años transcurridos desde su apertura, se han abierto otras instalaciones comerciales que utilizan otras fuentes de carbono, como astillas de madera. [2]
En Francia, la AFUL Chantrerie, situada en Nantes , inauguró en noviembre de 2017 el demostrador MINERVE. La planta alimenta una estación de gas natural comprimido y, en ocasiones, inyecta metano en una caldera alimentada con gas natural. [8]
La reacción de Sabatier se ha utilizado en sistemas energéticos dominados por energías renovables para utilizar el exceso de electricidad generada por el viento, la energía solar fotovoltaica, la hidroeléctrica, las corrientes marinas, etc. para producir metano a partir del hidrógeno procedente de la electrólisis del agua. [9] [10] A diferencia de un uso directo del hidrógeno para aplicaciones de transporte o almacenamiento de energía, [11] el metano se puede inyectar en la red de gas existente. [12] [13] [14] El metano se puede utilizar a demanda para generar electricidad superando los puntos bajos de producción de energía renovable. El proceso es la electrólisis del agua por electricidad para crear hidrógeno (que puede utilizarse parcialmente directamente en las pilas de combustible) y la adición de dióxido de carbono CO2 ( reacción de Sabatier) para crear metano. El CO2 se puede extraer del aire o de los gases residuales de combustibles fósiles mediante el proceso de amina .
En 2013 entró en producción en Alemania una planta de gas de 6 MW que alimenta una flota de 1.500 Audi A3 . [15]
En la producción de amoníaco, el CO y el CO2 se consideran venenos para los catalizadores más comúnmente utilizados. [16] Los catalizadores de metanización se agregan después de varios pasos de producción de hidrógeno para evitar la acumulación de óxido de carbono en el circuito de síntesis de amoníaco, ya que el metano no tiene efectos adversos similares en las tasas de síntesis de amoníaco.
Los generadores de oxígeno a bordo de la Estación Espacial Internacional producen oxígeno a partir del agua mediante electrólisis ; el hidrógeno producido se desechaba previamente en el espacio. A medida que los astronautas consumen oxígeno, se produce dióxido de carbono, que luego debe eliminarse del aire y desecharse también. Este enfoque requería que se transportaran regularmente grandes cantidades de agua a la estación espacial para generar oxígeno, además de la que se utiliza para el consumo humano, la higiene y otros usos, un lujo que no estará disponible para futuras misiones de larga duración más allá de la órbita terrestre baja .
La NASA está utilizando la reacción de Sabatier para recuperar agua del dióxido de carbono exhalado y del hidrógeno previamente descartado por electrólisis en la Estación Espacial Internacional y posiblemente para futuras misiones. [17] [18] El otro químico resultante, el metano, se libera al espacio. Como la mitad del hidrógeno de entrada se desperdicia en forma de metano, se suministra hidrógeno adicional desde la Tierra para compensar la diferencia. Sin embargo, esto crea un ciclo casi cerrado entre agua, oxígeno y dióxido de carbono que solo requiere una cantidad relativamente modesta de hidrógeno importado para mantenerse.
El ciclo podría cerrarse aún más si el metano residual se separara en sus componentes mediante pirólisis , cuya alta eficiencia (hasta un 95% de conversión) se puede lograr a 1200 °C: [19]
El hidrógeno liberado se reciclaría luego en el reactor Sabatier, dejando un depósito de grafito pirolítico que se puede eliminar fácilmente . El reactor sería poco más que un tubo de acero y un astronauta podría realizarle mantenimiento periódicamente, donde se extraería el depósito. [ cita requerida ]
Como alternativa, el circuito podría cerrarse parcialmente (75% de H2 de CH4 recuperado ) mediante pirólisis incompleta del metano residual mientras se mantiene el carbono encerrado en forma gaseosa como acetileno : [20]
La reacción de Bosch también está siendo investigada por la NASA para este propósito, que es: [21]
La reacción de Bosch presentaría un ciclo de hidrógeno y oxígeno completamente cerrado que solo produce carbono atómico como residuo. Sin embargo, las dificultades para mantener su temperatura de hasta 600 °C y manejar adecuadamente los depósitos de carbono significan que se necesitará mucha más investigación antes de que un reactor de Bosch pueda convertirse en realidad. Un problema es que la producción de carbono elemental tiende a ensuciar la superficie del catalizador (coquización), lo que es perjudicial para la eficiencia de la reacción.
La reacción de Sabatier se ha propuesto como un paso clave para reducir el coste de las misiones humanas a Marte ( Mars Direct , SpaceX Starship ) mediante la utilización de recursos in situ . El hidrógeno se combina con el CO2 de la atmósfera, luego se almacena el metano como combustible y el producto del lado del agua se electroliza para producir oxígeno que se licua y se almacena como oxidante e hidrógeno que se recicla nuevamente en el reactor. El hidrógeno original podría transportarse desde la Tierra o separarse de fuentes de agua marcianas. [22] [23]
Importar una pequeña cantidad de hidrógeno evita la búsqueda de agua y sólo utiliza CO2 de la atmósfera.
"Se puede utilizar una variación de la reacción básica de metanización de Sabatier a través de un lecho catalizador mixto y un desplazamiento inverso del gas de agua en un único reactor para producir metano a partir de las materias primas disponibles en Marte, utilizando el dióxido de carbono de la atmósfera marciana. Una operación de prueba de prototipo de 2011 que recolectó CO2 de una atmósfera marciana simulada y lo hizo reaccionar con H2 produjo metano como combustible para cohetes a una tasa de 1 kg/día, operando de manera autónoma durante 5 días consecutivos, manteniendo una tasa de conversión de casi el 100%. Se proyecta que un sistema optimizado de este diseño con una masa de 50 kg "producirá 1 kg/día de combustible O2 : CH4 ... con una pureza de metano de más del 98% mientras consume ~17 kWh por día de energía eléctrica (a una potencia continua de 700 W). La tasa de conversión de la unidad general esperada del sistema optimizado es una tonelada de combustible por cada 17 MWh de entrada de energía. [24] "
La relación estequiométrica de oxidante y combustible es de 2:1, para un motor de oxígeno/metano:
Sin embargo, una pasada por el reactor Sabatier produce una proporción de solo 1:1. Se puede producir más oxígeno ejecutando la reacción de desplazamiento de agua-gas (WGSR) en sentido inverso (RWGS), extrayendo efectivamente oxígeno de la atmósfera al reducir el dióxido de carbono a monóxido de carbono .
Otra opción es producir más metano del necesario y pirolizar el exceso para convertirlo en carbono e hidrógeno (véase la sección anterior), donde el hidrógeno se recicla de nuevo en el reactor para producir más metano y agua. En un sistema automatizado, el depósito de carbono se puede eliminar mediante una explosión con CO2 marciano caliente , oxidando el carbono en monóxido de carbono (a través de la reacción de Boudouard ), que se ventila. [25]
Una cuarta solución al problema de estequiometría sería combinar la reacción de Sabatier con la reacción de desplazamiento inverso de agua-gas (RWGS) en un solo reactor de la siguiente manera: [ cita requerida ]
Esta reacción es ligeramente exotérmica y cuando se electroliza el agua se obtiene una relación oxígeno-metano de 2:1.
Independientemente del método de fijación de oxígeno que se utilice, el proceso general se puede resumir mediante la siguiente ecuación: [ cita requerida ]
Si nos fijamos en las masas moleculares, se han producido 16 gramos de metano y 64 gramos de oxígeno utilizando 4 gramos de hidrógeno (que tendría que importarse de la Tierra, a menos que se electrolizara el agua marciana), lo que supone una ganancia de masa de 20:1; y el metano y el oxígeno están en la proporción estequiométrica adecuada para que se quemen en un motor de cohete. Este tipo de utilización de recursos in situ supondría un enorme ahorro de peso y costes para cualquier misión tripulada a Marte o de retorno de muestras.
El hidrógeno se puede obtener a partir del metano por pirólisis en el rango de temperatura de 1000°-1200°C. Los principales productos de reacción son hidrógeno y carbono, aunque se forman cantidades muy pequeñas de hidrocarburos superiores, incluidos hidrocarburos aromáticos. La eficiencia de conversión es de aproximadamente el 95% a 1200°C. Es necesario distinguir entre la conversión en equilibrio termodinámico y la conversión limitada por la cinética en un reactor finito.
![{\displaystyle {\ce {CO2{}+4H2->[{} \atop 400\ ^{\circ }{\ce {C}}][{\ce {presión+catalizador}}]CH4{}+2H2O }}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9954c5b345addcf6421c02b5becd4db9e4dde1c8)
![{\displaystyle {\ce {2H2O->[{\text{electrólisis}}]O2{}+2H2->[{\text{respiración}}]CO2{}+2H2{}+{\overset {añadido}{2H2}}->2H2O{}+{\overset {descartado}{CH4}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/20b6909a6e66d2cacc108f92bc5a69cf290179f5)
![{\displaystyle {\ce {CH4->[{\text{calor}}]C{}+2H2}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b5f8fe0242166a3eccbb23bb6d026311cb75d856)
![{\displaystyle {\ce {2CH4->[{\text{calor}}]C2H2{}+3H2}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/84504118c8c5ab21b990e7ddaa54e4fe7f283293)
