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Economía del metanol

La economía del metanol es una economía futura propuesta en la que el metanol y el éter dimetílico reemplazan a los combustibles fósiles como medio de almacenamiento de energía , combustible para el transporte terrestre y materia prima para los hidrocarburos sintéticos y sus productos. Ofrece una alternativa a la economía del hidrógeno propuesta o la economía del etanol , aunque estos conceptos no son excluyentes. El metanol se puede producir a partir de una variedad de fuentes, incluidos los combustibles fósiles ( gas natural , carbón , esquisto bituminoso , arenas bituminosas , etc.), así como productos agrícolas y desechos municipales , madera y biomasa variada . También se puede fabricar a partir del reciclaje químico del dióxido de carbono .

El premio Nobel George A. Olah abogó por una economía basada en el metanol. [1] [2] [3] [4]

Contenedor IBC con 1000 L de metanol renovable (el contenido energético es el mismo que el de 160 cilindros de gas de 50 L llenos de hidrógeno a 200 bar) [5] [6] [7]

Usos

Ferry con motor de metanol (Stena Germanica Kiel)
Coche de carreras con motor de combustión de metanol
Coche deportivo con pila de combustible de metanol reformado ( Nathalie )
Automóvil de pasajeros con pila de combustible de metanol reformado (Necar 5)

Combustible

El metanol es un combustible para motores térmicos y pilas de combustible. Debido a su alto índice de octano, se puede utilizar directamente como combustible en automóviles de combustible flexible (incluidos los vehículos híbridos e híbridos enchufables ) que utilicen los motores de combustión interna (ICE) existentes. El metanol también se puede quemar en otros tipos de motores o para proporcionar calor cuando se utilizan otros combustibles líquidos. Las pilas de combustible pueden utilizar metanol directamente en las pilas de combustible de metanol directo (DMFC) o indirectamente (después de la conversión en hidrógeno mediante reformado) en una pila de combustible de metanol reformado (RMFC).

Metanol verde

El metanol verde es un combustible líquido que se produce a partir de la combinación de dióxido de carbono e hidrógeno ( CO2 +3H2 → CH3OH +H2O ) bajo presión y calor con catalizadores . Es una forma de reutilizar la captura de carbono para reciclarlo . El metanol puede almacenar hidrógeno de forma económica a temperaturas y presiones exteriores estándar , en comparación con el hidrógeno líquido y el amoníaco que necesitan utilizar mucha energía para mantenerse fríos en su estado líquido . [8] En 2023, el Laura Maersk fue el primer buque portacontenedores en funcionar con combustible de metanol. [9] Las plantas de etanol en el medio oeste son un buen lugar para la captura de carbono puro para combinarlo con hidrógeno para producir metanol verde, con abundante energía eólica y nuclear en Iowa , Minnesota e Illinois . [10] [11] Mezclar metanol con etanol podría hacer que el metanol sea un combustible más seguro de usar porque el metanol no tiene una llama visible a la luz del día y no emite humo, y el etanol tiene una llama amarilla clara visible. [12] [13] [14] La producción de hidrógeno verde con una eficiencia del 70% y una eficiencia del 70% en la producción de metanol a partir de eso sería una eficiencia de conversión de energía del 49% . [15]

Materia prima

El metanol ya se utiliza hoy en día a gran escala para producir una variedad de productos químicos y productos. La demanda mundial de metanol como materia prima química alcanzó alrededor de 42 millones de toneladas métricas por año en 2015. [16] A través del proceso de metanol a gasolina (MTG), se puede transformar en gasolina. Usando el proceso de metanol a olefina (MTO), el metanol también se puede convertir en etileno y propileno , los dos productos químicos producidos en mayores cantidades por la industria petroquímica . [17] Estos son bloques de construcción importantes para la producción de polímeros esenciales (LDPE, HDPE, PP) y, como otros intermediarios químicos, actualmente se producen principalmente a partir de materias primas de petróleo. Por lo tanto, su producción a partir de metanol podría reducir nuestra dependencia del petróleo. También haría posible seguir produciendo estos productos químicos cuando se agoten las reservas de combustibles fósiles.

Producción

En la actualidad, la mayor parte del metanol se produce a partir de metano mediante gas de síntesis . Trinidad y Tobago es el mayor productor de metanol del mundo, y exporta principalmente a los Estados Unidos . [18] La materia prima para la producción de metanol es el gas natural.

La ruta convencional para obtener metanol a partir de metano pasa por la generación de gas de síntesis mediante reformado con vapor combinado (o no) con oxidación parcial. También se han investigado formas alternativas de convertir metano en metanol, entre ellas:

Todas estas rutas sintéticas emiten dióxido de carbono , un gas de efecto invernadero, CO2 . Para mitigarlo, el metanol se puede producir a través de formas que minimicen la emisión de CO2 . Una solución es producirlo a partir de gas de síntesis obtenido por gasificación de biomasa. Para este propósito, se puede utilizar cualquier biomasa, incluida la madera , los desechos de madera, la hierba, los cultivos agrícolas y sus subproductos, los desechos animales, las plantas acuáticas y los desechos municipales. [19] No es necesario utilizar cultivos alimentarios como en el caso del etanol de maíz, caña de azúcar y trigo.

Biomasa → Gas de síntesis (CO, CO 2 , H 2 ) → CH 3 OH

El metanol se puede sintetizar a partir de carbono e hidrógeno de cualquier fuente, incluidos los combustibles fósiles y la biomasa . El CO2 emitido por las centrales eléctricas que queman combustibles fósiles y otras industrias y, con el tiempo, incluso el CO2 contenido en el aire, pueden ser una fuente de carbono. [20] También se puede fabricar a partir del reciclaje químico del dióxido de carbono , que Carbon Recycling International ha demostrado con su primera planta a escala comercial. [21] Inicialmente, la principal fuente serán los gases de combustión ricos en CO2 de las centrales eléctricas que queman combustibles fósiles o los escapes de las fábricas de cemento y otras. Sin embargo, a largo plazo, considerando la disminución de los recursos de combustibles fósiles y el efecto de su utilización en la atmósfera de la Tierra , incluso la baja concentración de CO2 atmosférico podría capturarse y reciclarse a través del metanol, complementando así el propio ciclo fotosintético de la naturaleza. Se están desarrollando nuevos absorbentes eficientes para capturar el CO2 atmosférico , imitando la capacidad de las plantas. El reciclaje químico del CO2 para obtener nuevos combustibles y materiales podría volverse factible, haciéndolos renovables en la escala de tiempo humana.

El metanol también se puede producir a presión atmosférica a partir de CO2 mediante hidrogenación catalítica de CO2 con H2 [ 22], donde el hidrógeno se ha obtenido a partir de la electrólisis del agua . Este es el proceso utilizado por Carbon Recycling International de Islandia . El metanol también se puede producir a través de la reducción electroquímica de CO2 , si hay energía eléctrica disponible. La energía necesaria para que estas reacciones sean neutrales en carbono provendría de fuentes de energía renovables como la eólica, la hidroelectricidad y la solar, así como de la energía nuclear. En efecto, todas ellas permiten almacenar energía gratuita en metanol fácilmente transportable, que se produce inmediatamente a partir de hidrógeno y dióxido de carbono, en lugar de intentar almacenar energía en hidrógeno libre.

CO 2 + 3 H 2 → CH 3 OH + H 2 O

O con energía eléctrica:

CO 2 + 5 H 2 O + 6 e - → CH 3 OH + 6 HO -
6 HO − → 3 H 2 O + 1,5 O 2 + 6 e −

Total:

CO 2 + 2 H 2 O + energía eléctrica → CH 3 OH + 1,5 O 2

El CO2 necesario se capturaría de las centrales eléctricas que queman combustibles fósiles y otros gases de combustión industriales , incluidas las fábricas de cemento. Con la disminución de los recursos de combustibles fósiles y, por lo tanto, de las emisiones de CO2 , también se podría utilizar el contenido de CO2 en el aire. Considerando la baja concentración de CO2 en el aire (0,04%), será necesario desarrollar tecnologías mejoradas y económicamente viables para absorber el CO2. Por esta razón, la extracción de CO2 del agua podría ser más factible debido a sus mayores concentraciones en forma disuelta. [23] Esto permitiría el reciclaje químico del CO2 , imitando así la fotosíntesis de la naturaleza.

En gran escala, el metanol renovable se produce principalmente a partir de biomasa fermentada, así como de residuos sólidos urbanos (biometanol) y de electricidad renovable (e-metanol). [24] Los costos de producción del metanol renovable actualmente son de aproximadamente 300 a 1000 USD/t para el biometanol, de aproximadamente 800 a 1600 USD/t para el e-metanol de dióxido de carbono de fuentes renovables y de aproximadamente 1100 a 2400 USD/t para el e-metanol de dióxido de carbono de captura directa del aire . [19]

Eficiencia en la producción y uso de e-metanol

El metanol, que se produce a partir de CO2 y agua mediante el uso de electricidad, se denomina e-metanol. Normalmente, el hidrógeno se produce por electrólisis del agua, que luego se transforma con CO2 en metanol. Actualmente, la eficiencia de la producción de hidrógeno por electrólisis del agua de la electricidad asciende al 75-85% [19] con un potencial de hasta el 93% hasta 2030. [25] La eficiencia de la síntesis de metanol a partir de hidrógeno y dióxido de carbono actualmente es del 79-80%. [19] Por lo tanto, la eficiencia de la producción de metanol a partir de electricidad y dióxido de carbono es de aproximadamente el 59-78%. Si el CO2 no está directamente disponible, sino que se obtiene mediante la captura directa de aire , la eficiencia asciende al 50-60% para la producción de metanol mediante el uso de electricidad. [19] [26] Cuando se utiliza metanol en una celda de combustible de metanol, la eficiencia eléctrica de la celda de combustible es de aproximadamente el 35-50% (estado de 2021). Por tanto, la eficiencia eléctrica global para la producción de e-metanol con electricidad incluyendo la siguiente conversión de energía de e-metanol a electricidad asciende a aproximadamente un 21 a un 34 % para el e-metanol de CO2 directamente disponible y a aproximadamente un 18 a 30 % para el e-metanol producido a partir de CO2 que se obtiene por captura directa de aire .

Si se utiliza calor residual para una electrólisis a alta temperatura o si se utiliza calor residual de electrólisis, síntesis de metanol y/o de la celda de combustible, entonces la eficiencia general puede aumentarse significativamente más allá de la eficiencia eléctrica. [27] [28] Por ejemplo, se puede alcanzar una eficiencia general del 86% utilizando calor residual (por ejemplo, para calefacción urbana ) que se obtiene mediante la producción de e-metanol por electrólisis o mediante la siguiente síntesis de metanol. [28] Si se utiliza el calor residual de una celda de combustible, se puede alcanzar una eficiencia de celda de combustible del 85 al 90%. [29] [30] El calor residual se puede utilizar, por ejemplo, para calentar un vehículo o una casa. También es posible la generación de frío utilizando calor residual con una máquina de refrigeración. Con un uso extensivo de calor residual se puede alcanzar una eficiencia general del 70 al 80% para la producción de e-metanol, incluido el siguiente uso del e-metanol en una celda de combustible.

La eficiencia del sistema eléctrico, incluyendo todas las pérdidas de los dispositivos periféricos (por ejemplo, compresor de cátodo, refrigeración de la pila), asciende a aproximadamente entre el 40 y el 50 % para una pila de combustible de metanol del tipo RMFC y entre el 40 y el 55 % para una pila de combustible de hidrógeno del tipo LT-PEMFC . [31] [32] [33] [34]

Araya et al. compararon la ruta del hidrógeno con la ruta del metanol (para metanol de CO2 directamente disponible ) . [31] Aquí se determinó la eficiencia eléctrica desde el suministro de electricidad hasta la entrega de electricidad por una celda de combustible con los siguientes pasos intermedios: gestión de energía, acondicionamiento, transmisión, producción de hidrógeno por electrólisis, síntesis de metanol o compresión de hidrógeno, transporte de combustible, celda de combustible. Para la ruta del metanol, la eficiencia se investigó como del 23 al 38% y para la ruta del hidrógeno como del 24 al 41%. Con la ruta del hidrógeno, una gran parte de la energía se pierde por la compresión y el transporte del hidrógeno, mientras que para la ruta del metanol se necesita energía para la síntesis de metanol.

Helmers et al. compararon la eficiencia del pozo a la rueda (WTW) de los vehículos. La eficiencia WTW se determinó como del 10 al 20% para los vehículos operados con gasolina fósil con motor de combustión interna, del 15 al 29% para los vehículos híbridos totalmente eléctricos operados con gasolina fósil con motor de combustión interna, del 13 al 25% para los vehículos operados con diésel fósil con motor de combustión interna, del 12 al 21% para los vehículos operados con GNC fósil con motor de combustión interna, del 20 al 29% para los vehículos de celdas de combustible (por ejemplo, hidrógeno fósil o metanol) y del 59 al 80% para los vehículos eléctricos de batería . [35]

En el estudio alemán "Agora Energiewende" se examinaron diferentes tecnologías de propulsión que utilizan electricidad renovable para la producción de combustible y se determinó una eficiencia WTW del 13% para vehículos con motor de combustión interna (que funcionan con combustible sintético como OME ), del 26% para vehículos de pila de combustible (que funcionan con hidrógeno) y del 69% para vehículos eléctricos de batería. [36]

Si se utiliza hidrógeno renovable, la eficiencia desde el origen hasta la rueda de un automóvil con pila de combustible de hidrógeno asciende a entre el 14 y el 30 %.

Si el e-metanol renovable se produce a partir de CO2 directamente disponible, la eficiencia del pozo a la rueda asciende a aproximadamente el 11 al 21 % para un vehículo con motor de combustión interna que funciona con este e-metanol y a aproximadamente el 18 al 29 % para un vehículo de pila de combustible que funciona con este e-metanol. Si el e-metanol renovable se produce a partir de CO2 de captura directa del aire, la eficiencia del pozo a la rueda asciende a aproximadamente el 9 al 19 % para un vehículo con motor de combustión interna que funciona con este e-metanol y a aproximadamente el 15 al 26 % para un vehículo de pila de combustible que funciona con este e-metanol (estado de 2021).

Comparación de costos de la economía del metanol frente a la economía del hidrógeno

Costos de combustible

El metanol es más barato que el hidrógeno. Para grandes cantidades (tanque) el precio del metanol fósil es de aproximadamente 0,3 a 0,5 USD/L. [37] Un litro de metanol tiene el mismo contenido energético que 0,13 kg de hidrógeno. [5] [6] El precio de 0,13 kg de hidrógeno fósil es actualmente de aproximadamente 1,2 a 1,3 USD para grandes cantidades (alrededor de 9,5 USD/kg en estaciones de servicio de hidrógeno). [38] Para cantidades de escala media (entrega en contenedor IBC con 1000 L de metanol) el precio del metanol fósil suele ser de aproximadamente 0,5 a 0,7 USD/L, para el biometanol de aproximadamente 0,7 a 2,0 USD/L y para el e-metanol [39] a partir de CO 2 de aproximadamente 0,8 a 2,0 USD/L más el depósito para el contenedor IBC. En el caso de cantidades medias de hidrógeno (conjunto de cilindros de gas), el precio de 0,13 kg de hidrógeno fósil suele rondar los 5-12 USD, más el alquiler de los cilindros. El precio significativamente más alto del hidrógeno en comparación con el metanol se debe, entre otras cosas, a la compleja logística y el almacenamiento del hidrógeno. Mientras que el biometanol y el e-metanol renovable están disponibles en los distribuidores [40] [41] , el hidrógeno verde normalmente aún no está disponible en los distribuidores. Se espera que los precios del hidrógeno renovable, así como del metanol renovable, disminuyan en el futuro [19] .

Infraestructura

En el futuro, se espera que un alto porcentaje de vehículos de pasajeros sean vehículos con baterías completamente eléctricas. En el caso de los vehículos utilitarios y camiones, se espera que el porcentaje de vehículos con baterías completamente eléctricas sea significativamente menor que en el caso de los vehículos de pasajeros. Se espera que el resto de vehículos se basen en combustible. Mientras que la infraestructura de metanol para 10 000 estaciones de servicio costaría alrededor de 0,5 a 2 mil millones de dólares, el costo de una infraestructura de hidrógeno para 10 000 estaciones de servicio sería de aproximadamente 16 a 1400 mil millones de dólares, con una fuerte dependencia del rendimiento de hidrógeno de la estación de servicio. [31] [42]

Conversión de energía

Si bien para los vehículos con motor de combustión interna que funcionan con metanol no hay costos adicionales significativos en comparación con los vehículos a gasolina, los costos adicionales para un automóvil de pasajeros con una celda de combustible de metanol serían de aproximadamente -600 a 2400 USD en comparación con un automóvil de pasajeros con una celda de combustible de hidrógeno (principalmente costos adicionales para el reformador, el equilibrio de los componentes de la planta y quizás los costos de la pila menos el tanque de hidrógeno [43] y los instrumentos de alta presión de hidrógeno).

Ventajas

En el proceso de fotosíntesis , las plantas verdes utilizan la energía de la luz solar para dividir el agua en oxígeno libre (que se libera) e hidrógeno libre. En lugar de intentar almacenar el hidrógeno, las plantas capturan inmediatamente el dióxido de carbono del aire para permitir que el hidrógeno lo reduzca a combustibles almacenables como hidrocarburos (aceites vegetales y terpenos ) y polialcoholes ( glicerol , azúcares y almidones ). En la economía del metanol, cualquier proceso que produzca hidrógeno libre de manera similar, propone usarlo inmediatamente "cautivo" para reducir el dióxido de carbono en metanol, que, al igual que los productos vegetales de la fotosíntesis, tiene grandes ventajas en el almacenamiento y transporte sobre el propio hidrógeno libre.

El metanol es un líquido en condiciones normales, lo que permite almacenarlo, transportarlo y dispensarlo fácilmente, al igual que la gasolina y el combustible diésel . También se puede transformar fácilmente mediante deshidratación en dimetiléter , un sustituto del combustible diésel con un índice de cetano de 55.

El metanol es soluble en agua: una liberación accidental de metanol en el medio ambiente causaría mucho menos daño que un derrame comparable de gasolina o petróleo crudo . A diferencia de estos combustibles, el metanol es biodegradable y totalmente soluble en agua, y se diluiría rápidamente a una concentración lo suficientemente baja como para que los microorganismos comiencen la biodegradación . Este efecto ya se explota en las plantas de tratamiento de agua, donde el metanol ya se utiliza para la desnitrificación y como nutriente para las bacterias. [44] La liberación accidental que causa contaminación de las aguas subterráneas aún no se ha estudiado a fondo, aunque se cree que podría sufrir una degradación relativamente rápida.

Comparación con el hidrógeno

Ventajas de la economía del metanol frente a la economía del hidrógeno:

Comparación con el etanol

Metanol del supermercado como líquido para encender parrillas (España, 99 % metanol, color azul)

Desventajas

Estado y producción del metanol renovable

Europa

América del norte

Sudamerica

Porcelana

Véase también

Literatura

Notas

  1. ^ El metanol es una toxina neurológica y del desarrollo, aunque no es probable que los niveles típicos de exposición a la misma en la dieta y en el trabajo induzcan efectos significativos para la salud. En 2003, un grupo de expertos del Programa Nacional de Toxicología concluyó que, en el caso de concentraciones sanguíneas inferiores a aproximadamente 10  mg/L, la preocupación por los efectos adversos para la salud es mínima. [52] También hay otros resúmenes de la literatura disponibles. [53]

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