Aprovechamiento del hidrógeno: La promesa de la descomposición catalítica del metano

Mientras el mundo se enfrenta a la urgente necesidad de descarbonizar nuestros sistemas energéticos, el hidrógeno se perfila como un prometedor combustible limpio del futuro. Sin embargo, los actuales métodos industriales de producción de hidrógeno, como el reformado de metano con vapor, siguen dependiendo en gran medida de los combustibles fósiles y generan importantes emisiones de dióxido de carbono. La descomposición catalítica del metano (CMD) es un proceso innovador que convierte directamente el metano en hidrógeno y carbono sólido, sin producir CO2. Esta innovadora tecnología podría desempeñar un papel fundamental en la transición a una economía basada en el hidrógeno, eliminando al mismo tiempo los gases de efecto invernadero de la atmósfera.

Mecánica del craqueo del metano

En esencia, el craqueo del metano consiste en una reacción química relativamente sencilla que consiste en descomponer las moléculas de metano (CH4) en hidrógeno gaseoso (H2) y carbono sólido:

CH4 → C + 2H2

Aunque esta reacción puede producirse a temperaturas muy altas, en torno a los 1.300 °C, el uso de catalizadores permite que se produzca a temperaturas mucho más bajas y prácticas, entre 450 y 750 °C. Los catalizadores de metales de transición como el níquel, el hierro y el cobalto han mostrado la mayor actividad para la CMD. La reacción tiene lugar en la superficie del catalizador, donde las moléculas de metano se adsorben y descomponen para formar hidrógeno gaseoso que se libera, mientras que los depósitos de carbono se acumulan en el catalizador.

Una de las principales ventajas de la CMD es que no produce subproductos de COx, lo que da lugar a un flujo de hidrógeno muy puro que requiere un procesamiento posterior mínimo. El subproducto de carbono sólido también puede utilizarse potencialmente en diversas aplicaciones industriales o secuestrarse de forma segura. Esto da a la CMD una ventaja significativa sobre los métodos convencionales de producción de hidrógeno, tanto en términos económicos como de impacto ambiental, a medida que las tecnologías de captura y almacenamiento de carbono se vuelven más estrictamente reguladas y costosas.

Superar la desactivación del catalizador

El principal obstáculo que ha impedido hasta ahora la adopción generalizada de la CMD es la rápida desactivación del catalizador debido a la acumulación de carbono. Los depósitos de carbono acaban bloqueando los puntos activos de la superficie del catalizador, lo que reduce la producción de hidrógeno. Los investigadores han estudiado varias estrategias para mejorar la estabilidad del catalizador:

Combinación de varios metales: Los catalizadores bimetálicos, como Ni-Fe y Ni-Cu, han demostrado una mayor estabilidad que las versiones monometálicas.

Optimización de los soportes: Los soportes de los catalizadores, como SiO2 y Al2O3, desempeñan un papel crucial en la dispersión de los metales y la difusión del carbono.

Regeneración: La eliminación periódica de los depósitos de carbono mediante gasificación con vapor, CO2 o hidrógeno puede reactivar los catalizadores usados.

Nuevos diseños de reactores: Los reactores de lecho fluidizado permiten la eliminación continua de carbono y han demostrado ser prometedores para un funcionamiento estable a largo plazo.

Si se sigue investigando y optimizando, es posible que pronto se consigan miles de horas de producción estable de hidrógeno mediante CMD. El proyecto STORMING, financiado por la UE, explora diseños innovadores de reactores estructurados calentados con electricidad renovable para aumentar la viabilidad de la tecnología CMD.

Configuraciones de reactor para la ampliación

A medida que la CMD se acerca a la viabilidad comercial, la ingeniería de reactores se vuelve crucial para la producción de hidrógeno a escala industrial. Se han investigado varios tipos de reactores:

Reactores de lecho fluidizado: Permiten eliminar fácilmente los productos de carbono y mantener una temperatura uniforme, por lo que se perfilan como el diseño preferido. Variaciones como los lechos fluidizados de dos etapas han demostrado una mayor vida útil del catalizador.

• Reactores de plasma: El uso de plasma puede reducir la temperatura necesaria, pero adolece de una escasa selectividad del hidrógeno.
• Reactores de metal fundido: Los catalizadores de metal líquido facilitan la separación del carbono, pero requieren temperaturas muy elevadas.
• Reactores de membrana: La integración de membranas selectivas de hidrógeno puede impulsar la reacción hacia conversiones más altas.

Es probable que la configuración más prometedora combine el funcionamiento en lecho fluidizado con catalizadores optimizados y capacidad de regeneración in situ. El diseño cuidadoso del reactor es esencial para equilibrar la conversión de metano, la estabilidad del catalizador y la facilidad de eliminación del carbono.

Viabilidad económica y perspectivas de futuro

Recientes análisis tecnoeconómicos estiman que los costes de producción de hidrógeno mediante CMD se sitúan en torno a 1,7-1,85 €/kg H2 cuando se utiliza gas natural como materia prima. Esto ya es competitivo con el reformado de metano con vapor (1,4 €/kg H2) una vez que se tienen en cuenta los costes de captura de carbono. La CMD resulta aún más atractiva a medida que aumentan los impuestos sobre el carbono, y podría convertirse en la vía más económica para la producción de hidrógeno a gran escala.

Además, la CMD abre interesantes posibilidades para la producción de hidrógeno sin emisiones de carbono. Utilizando biogás o metano sintético derivado del CO2 atmosférico, el proceso podría eliminar activamente los gases de efecto invernadero al tiempo que genera hidrógeno combustible limpio. Las primeras estimaciones sugieren que esto podría conseguirse por sólo 2,1 euros/kg de H2: una pequeña prima para un enorme beneficio medioambiental.

El subproducto de carbono sólido de la CMD también tiene potencial económico. Aunque actualmente se valora en menos de 100 euros/tonelada como material de relleno básico, las nanoestructuras de carbono más avanzadas podrían alcanzar precios mucho más elevados en aplicaciones especializadas. Optimizar la calidad del carbono junto con el rendimiento del hidrógeno será clave para maximizar la economía global.

A medida que la economía del hidrógeno vaya tomando forma, el CMD está preparado para desempeñar un papel vital en el suministro de hidrógeno de bajo coste y bajas emisiones a sectores como la industria pesada, el transporte de larga distancia y el almacenamiento de energía a escala de red. Gracias a su capacidad para aprovechar la infraestructura de gas natural existente y eliminar las emisiones de CO2, el CMD ofrece un puente pragmático entre los combustibles fósiles y el hidrógeno totalmente renovable. El avance continuo de las tecnologías de catalizadores y reactores promete liberar todo el potencial de este proceso elegantemente sencillo pero potente.

El camino hacia la energía sostenible es complejo, pero la descomposición catalítica del metano brilla como un faro de innovación que abre nuevas posibilidades para la producción limpia de hidrógeno y la gestión del carbono. A medida que nos esforzamos por alcanzar objetivos climáticos ambiciosos, la CMD puede convertirse en una pieza crucial del rompecabezas de la descarbonización.

Fuente: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364032120307516