La economía del metanol es una economía futura sugerida en la que el metanol y el éter dimetílico reemplazan a los combustibles fósiles como medio de almacenamiento de energía, combustible de 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.
En la década de 1990, el ganador del premio Nobel George A. Olah abogó por una economía de metanol; en 2006, él y dos coautores, GK Surya Prakash y Alain Goeppert, publicaron un resumen del estado de los combustibles fósiles y las fuentes de energía alternativas, incluida su disponibilidad y limitaciones, antes de sugerir una economía de metanol.
El metanol se puede producir a partir de una amplia variedad de fuentes, incluidos los combustibles fósiles que aún abundan (gas natural, carbón, esquisto bituminoso, arenas de alquitrán, etc.), así como productos agrícolas y residuos municipales, madera y biomasa variada. También se puede hacer a partir del reciclaje químico de dióxido de carbono.
Introducción
En 2005, el premio Nobel George A. Olah pidió la creación de una economía en metanol en el ensayo Más allá del petróleo y el gas: La economía del metanol y en 2006, junto con otros dos coautores, publicaron un libro sobre este tema. En estos libros, Los autores resumen el estado de las fuentes de combustibles fósiles y otras fuentes alternativas de energía, su disponibilidad y limitaciones antes de sugerir la experimentación de la llamada economía del metanol.
El metanol es un combustible que puede usarse tanto para motores térmicos como para pilas de combustible. Gracias a su buen número de octanos, se puede utilizar directamente como combustible en automóviles (incluidos los modelos híbridos y enchufables) utilizando varios tipos de motores de combustión interna que ya están en uso. El metanol también se puede usar en la celda de combustible, ya sea directamente, en las células DMFC, o indirectamente, después de su transformación en hidrógeno mediante el reformado.
En condiciones normales, el metanol es un líquido, que permite que se almacene, transporte y distribuya fácilmente, de manera similar a lo que se hace con gasolina y diesel. Químicamente, también se puede transformar rápidamente por deshidratación en dimetil éter, un sustituto de diesel que tiene un índice de cetano de 55.
En los años 2000, el metanol se usa a gran escala (alrededor de 37 millones de toneladas por año) como un ladrillo químico elemental para producir numerosos productos químicos complejos y materiales poliméricos. Además, se puede convertir fácilmente mediante el proceso «metanol a olefina» (MTO) en etileno y propileno, hidrocarburos insaturados que se pueden usar para producir hidrocarburos sintéticos de mayor peso molecular y otros derivados de los mismos, que normalmente se obtienen a partir del petróleo y gas natural.
Fuentes de metanol
El metanol se puede producir de manera eficiente a partir de una amplia variedad de fuentes, incluidos algunos tipos muy abundantes de combustibles fósiles (gas natural, carbón, esquisto bituminoso, arena bituminosa, etc.), pero también a partir de desechos agrícolas y residuos urbanos diferenciados, de madera. , y a partir de diversos tipos de biomasa.
Reciclaje de dióxido de carbono
Una hipótesis mucho más radical es obtener metanol a partir del reciclaje químico del dióxido de carbono. Inicialmente, la fuente principal podría ser las emisiones ricas en CO 2 de las centrales eléctricas que queman combustibles fósiles o descargas de fábricas de cemento y otras fábricas. En un tiempo más largo, considerando la disminución en los recursos de combustibles fósiles y el efecto de su uso en la atmósfera de la Tierra, incluso la baja concentración de CO 2 natural podría ser capturada y reciclada para obtener metanol: de esta manera sería un complemento para El mismo ciclo natural de la fotosíntesis. Se están desarrollando nuevas sustancias absorbentes más eficientes, capaces de capturar el CO 2 atmosférico, que en algunos casos imita la acción de las plantas vivas. El reciclaje químico de CO 2 para obtener nuevos combustibles y materiales podría ser posible y sostenible, haciendo que estos «combustibles de carbono no fósiles» sean renovables en una escala de tiempo comparable a la vida útil humana. En Islandia, en 2011/2012, ya ha comenzado con este sistema una producción de dos millones de litros de metanol por año.
Usos
Combustible
El metanol es un combustible para motores térmicos y células de combustible. Debido a su índice de alto octanaje, se puede utilizar directamente como combustible en automóviles de combustible flexible (incluidos los vehículos híbridos y los híbridos enchufables) que utilizan los motores de combustión interna existentes (ICE). El metanol también se puede quemar en otros tipos de motores o para proporcionar calor a medida que se usan otros combustibles líquidos. Las celdas de combustible pueden usar metanol directamente en las celdas de combustible de metanol directo (DMFC) o indirectamente (después de la conversión en hidrógeno mediante reformado).
En motores de combustión interna (ICE).
El metanol tiene un alto índice de octano (RON de 107 y MON de 92), lo que lo convierte en un sustituto adecuado de la gasolina. Tiene una velocidad de llama más alta que la gasolina, lo que conduce a una mayor eficiencia, así como a un mayor calor de vaporización latente (3,7 veces mayor que la gasolina), lo que implica que el calor generado por el motor se puede eliminar de manera más efectiva, lo que hace posible el uso del aire. motores refrigerados. Además, las quemaduras de metanol producen menos contaminantes que la gasolina y son más seguras en caso de incendio. Sin embargo, el metanol tiene solo la mitad del contenido de energía por volumen en comparación con la gasolina (8,600 BTU / libra).
En motores de encendido por compresión (motor diesel).
El metanol por sí mismo es un mal sustituto para los combustibles diesel. Pero, debido a la deshidratación química, el metanol se puede transformar en dimetil éter (DME), que es un buen combustible diesel con un índice de cetano de 55-60, mejor que el número de cetano 45-55 del diesel regular. En comparación con los combustibles diesel, el DME tiene emisiones mucho más bajas de partículas, NO x y CO y no emite ningún tipo de dióxido de azufre o dióxido de azufre (SO x). El metanol también se utiliza para producir biodiesel, a través de la transesterificación de aceites vegetales.
En motores avanzados o en pilas de combustible alimentadas por metanol.
El uso de metanol y éter-dimetilo se puede combinar con las tecnologías de motores híbridos y automóviles eléctricos, para obtener un mayor kilometraje (kilómetros por litro) y menores emisiones. Estos combustibles se pueden usar tanto en celdas de combustible como en catalizadores que operan reformando obteniendo hidrógeno para alimentar la celda de combustible, o directamente «quemando» metanol en celdas de combustible de metanol directo (DMFC).
Para la producción de electricidad.
El metanol y el DME se pueden usar en turbinas de gas para generar electricidad. Los modelos de células de combustible actualmente muy caros (PAFC, MCFC, SOFC) se pueden usar para generar electricidad, especialmente en entornos donde se requiere poco ruido, además de baja generación de calor, como hospitales; o un peso muy bajo de la planta, como en vehículos de transporte aéreo o espacial.
Como combustible domestico
El metanol y el DME se pueden usar en edificios comerciales y casas para generar calor y / o electricidad. El DME se puede utilizar en cocinas / cocinas de gas comerciales, sin modificaciones importantes. En los países en desarrollo, el metanol podría usarse como combustible para la cocina, ya que se quema mucho más limpia que la madera (menos nanopartículas y CO), y de esta manera reduce algunos de los problemas relacionados con la contaminación doméstica. mezclado con gasolina, diesel o adulterantes colorantes, para evitar cualquier posible fraude, y el uso letal como aditivo para bebidas, un evento que ocurrió en Italia con la estafa del vino con metanol.
Elemento básico para la química y materiales poliméricos.
Actualmente, el metanol se usa ampliamente a gran escala como material de base para producir una variedad de productos químicos y otros productos como los polímeros plásticos. Con el proceso conocido como «metanol a gasolina» (MTG), el metanol se puede transformar en gasolina. Utilizando el proceso de «metanol a olefina» (MTO), el metanol se puede convertir en etileno y propileno alquenos, los dos productos químicos fabricados en grandes cantidades por la industria petroquímica. Estos son bloques de construcción importantes para la producción de polímeros esenciales (LDPE, HDPE, PP) y otros intermedios químicos que se producen actualmente a partir de derivados del petróleo. Su producción a partir de metanol, por lo tanto, podría reducir la dependencia del petróleo. También permitirá continuar produciendo estos químicos y plásticos básicos, incluso después del final de los depósitos de combustibles fósiles.
Materia prima
El metanol ya se usa hoy en gran escala para producir una variedad de productos químicos y productos. La demanda global de metanol como materia prima química alcanzó aproximadamente 42 millones de toneladas métricas por año a partir de 2015. 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 químicos producidos en grandes cantidades por la industria petroquímica. Estos son bloques de construcción importantes para la producción de polímeros esenciales (LDPE, HDPE, PP) y, al igual que otros productos químicos intermedios, se producen actualmente principalmente a partir de materias primas de petróleo. Su producción a partir de metanol, por lo tanto, podría reducir nuestra dependencia del petróleo. También permitiría continuar produciendo estos químicos cuando se agoten las reservas de combustibles fósiles.
Producción
Hoy en día la mayor parte del metanol se produce a partir del metano a través del gas de síntesis.Trinidad y Tobago es actualmente el mayor exportador mundial de metanol, con exportaciones principalmente a Estados Unidos. El gas natural que sirve como materia prima para la producción de metanol proviene de las mismas fuentes que otros usos. Los recursos de gas no convencionales, como el metano de la capa de carbón, el gas de arena apretado y, finalmente, los recursos de hidrato de metano muy grandes presentes en las plataformas continentales de los mares y la tundra siberiana y canadiense también podrían usarse para proporcionar el gas necesario.
La ruta convencional al metanol desde el metano pasa a través de la generación de gas de síntesis mediante reformado con vapor combinado (o no) con oxidación parcial. También se están desarrollando nuevas y más eficientes formas de convertir el metano en metanol. Éstos incluyen:
Oxidación del metano con catalizadores homogéneos en medios de ácido sulfúrico.
Bromación de metano seguida de hidrólisis del bromometano obtenido.
Oxidación directa del metano con oxígeno.
Conversión microbiana o fotoquímica de metano.
Oxidación parcial del metano con atrapamiento del producto parcialmente oxidado y posterior extracción en zeolita intercambiada con cobre y hierro (por ejemplo, alfa-oxígeno)
Todas estas rutas sintéticas emiten el gas de efecto invernadero dióxido de carbono CO2. Para mitigar esto, el metanol se puede hacer de manera que minimice la emisión de CO2. Una solución es producirlo a partir de gases de síntesis obtenidos por gasificación de biomasa. Para este propósito, se puede utilizar cualquier biomasa, incluyendo madera, desechos de madera, pastos, cultivos agrícolas y sus derivados, desechos animales, plantas acuáticas y desechos municipales.No hay necesidad de utilizar cultivos alimentarios como en el caso del etanol del maíz, la caña de azúcar y el trigo.
Biomasa → Syngas (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 aún disponibles. El CO2 emitido por las centrales eléctricas que queman combustibles fósiles y otras industrias, y eventualmente incluso el CO2 contenido en el aire, puede ser una fuente de carbono. También puede fabricarse a partir del reciclaje químico de dióxido de carbono, que Carbon Recycling International ha demostrado con su primera planta a escala comercial. Inicialmente, la fuente principal serán los gases de combustión ricos en CO2 de las centrales eléctricas que queman combustibles fósiles o los gases de escape de cemento y otras fábricas. Sin embargo, en el rango más largo, considerando la disminución de los recursos de combustibles fósiles y el efecto de su utilización en la atmósfera terrestre, incluso la baja concentración de CO2 en la atmósfera podría capturarse y reciclarse a través del metanol, complementando así el 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 de CO2 a nuevos combustibles y materiales podría, por lo tanto, ser factible, haciéndolos renovables en la escala de tiempo humana.
El metanol también se puede producir a partir de CO2 por hidrogenación catalítica de CO2 con H2 donde el hidrógeno se ha obtenido 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 del CO2, si hay energía eléctrica disponible. La energía necesaria para estas reacciones para ser neutral en carbono provendría de fuentes de energía renovables como la energía eólica, hidroeléctrica y solar, así como la energía nuclear. En efecto, todos ellos permiten que la energía libre se almacene 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 + 3H 2 → CH 3 OH + H 2 O
o con energia electrica
CO 2 + 5H 2 O + 6 e −1 → CH 3 OH + 6 HO −1
6 HO −1 → 3H 2 O + 3/2 O 2 + 6 e −1
Total:
CO 2 + 2H 2 O + energía eléctrica → CH 3 OH + 3/2 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, las emisiones de CO2, también se podría utilizar el contenido de CO2 en el aire. Teniendo en cuenta la baja concentración de CO2 en el aire (0,04%), será necesario desarrollar tecnologías mejoradas y económicamente viables para absorber CO2.Por esta razón, la extracción de CO2 del agua podría ser más factible debido a sus mayores concentraciones en forma disuelta. Esto permitiría el reciclaje químico de CO2, imitando así la fotosíntesis de la naturaleza.
Ventajas
En el proceso de la fotosíntesis, las plantas verdes utilizan la energía de la luz solar para dividir el agua en oxígeno libre (que se libera) y en hidrógeno libre. En lugar de intentar almacenar el hidrógeno, las plantas capturan de inmediato el dióxido de carbono del aire para permitir que el hidrógeno lo reduzca a combustibles almacenables, como los hidrocarburos (aceites vegetales y terpenos) y los polialcoholes (glicerol, azúcares y almidones). En la economía del metanol, cualquier proceso que de manera similar produzca hidrógeno libre, propone su uso inmediato «de forma cautiva» para reducir el dióxido de carbono al metanol, que, como los productos vegetales de la fotosíntesis, tiene grandes ventajas en el almacenamiento y transporte sobre el hidrógeno libre en sí.
El metanol es un líquido en condiciones normales, lo que permite que sea almacenado, transportado y dispensado fácilmente, al igual que la gasolina y el combustible diesel. También se puede transformar fácilmente por deshidratación en dimetil éter, un sustituto del combustible diesel con un índice de cetano de 55.
Comparación con hidrógeno
Ventajas de la economía del metanol en comparación con una economía del hidrógeno:
Almacenamiento eficiente de energía por volumen, en comparación con el hidrógeno comprimido.Cuando se toma en cuenta el recipiente de confinamiento a presión de hidrógeno, también se puede obtener una ventaja en el almacenamiento de energía en peso. La densidad de energía volumétrica del metanol es considerablemente más alta que la del hidrógeno líquido, en parte debido a la baja densidad del hidrógeno líquido de 71 gramos / litro. Por lo tanto, en realidad hay más hidrógeno en un litro de metanol (99 gramos / litro) que en un litro de hidrógeno líquido, y el metanol no necesita ningún recipiente criogénico mantenido a una temperatura de -253 ° C.
Una infraestructura de hidrógeno líquido sería prohibitivamente cara. El metanol puede usar la infraestructura de gasolina existente con solo modificaciones limitadas.
Se puede mezclar con gasolina (por ejemplo, en M85, una mezcla que contiene 85% de metanol y 15% de gasolina).
Fácil de usar. El hidrógeno es volátil y sus confinamientos utilizan sistemas de alta presión o criogénicos.
Menos pérdidas: el hidrógeno se filtra más fácilmente que el metanol. El calor evaporará el hidrógeno líquido, dando pérdidas esperadas de hasta 0.3% por día en tanques de almacenamiento.(ver cuadro Ferox tanques de almacenamiento de oxígeno líquido).
Comparación con el etanol
Puede fabricarse a partir de cualquier material orgánico usando tecnología probada que pase por syngas. No hay necesidad de utilizar cultivos alimentarios y competir con la producción de alimentos. La cantidad de metanol que puede generarse a partir de la biomasa es mucho mayor que el etanol.
Puede competir y complementar el etanol en un mercado energético diversificado. El metanol obtenido de combustibles fósiles tiene un precio más bajo que el etanol.
Se puede mezclar en gasolina como el etanol. En 2007, China mezcló más de 1 billón de galones de metanol (3,800,000 m3) de EE. UU. En combustible e introducirá el estándar de combustible de metanol a mediados de 2008. M85, una mezcla de 85% de metanol y 15% de gasolina se puede usar de manera muy similar a la E85 que se vende en algunas estaciones de servicio en la actualidad.
Desventajas
Los altos costos de energía actualmente asociados con la generación y el transporte de hidrógeno fuera del sitio.
Dependiendo de la materia prima, la generación en sí misma puede no estar limpia.
Actualmente se genera a partir de gas natural que aún depende de combustibles fósiles (aunque se puede usar cualquier hidrocarburo combustible).
Densidad de energía (en peso o volumen), la mitad de la gasolina y un 24% menos que el etanol.
Manejo
Si no se utilizan inhibidores, el metanol es corrosivo para algunos metales comunes, como el aluminio, el zinc y el manganeso. Las partes de los sistemas de admisión de combustible del motor están hechas de aluminio. Similar al etanol, se debe usar material compatible para los tanques de combustible, la junta y la admisión del motor.
Al igual que con el etanol corrosivo e hidrófilo similar, las tuberías existentes diseñadas para productos derivados del petróleo no pueden manejar el metanol. Por lo tanto, el metanol requiere el envío a un costo de energía más alto en camiones y trenes, hasta que se pueda construir una nueva infraestructura de tubería o se remodelan las tuberías existentes para el transporte de metanol.
El metanol, como alcohol, aumenta la permeabilidad de algunos plásticos a los vapores de combustible (por ejemplo, polietileno de alta densidad). Esta propiedad del metanol tiene la posibilidad de aumentar las emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COV) del combustible, lo que contribuye al aumento del ozono troposférico y posiblemente a la exposición humana.
Baja volatilidad en climas fríos: los motores que funcionan con metanol puro pueden ser difíciles de arrancar y funcionan de manera ineficiente hasta que se calientan. Esta es la razón por la cual una mezcla que contiene 85% de metanol y 15% de gasolina, llamada M85, se usa generalmente en los ICE. La gasolina permite que el motor arranque incluso a temperaturas más bajas.
Con la excepción de niveles bajos de exposición, el metanol es tóxico. El metanol es letal cuando se ingiere en cantidades mayores (30 a 100 ml). Pero también lo son la mayoría de los combustibles para motores, incluida la gasolina (120 a 300 ml) y el combustible diesel. La gasolina también contiene pequeñas cantidades de muchos compuestos que se sabe son cancerígenos (por ejemplo, benceno). El metanol no es un carcinógeno, ni contiene carcinógenos. Sin embargo, el metanol se puede metabolizar en el cuerpo a formaldehído, que es tóxico y carcinógeno. El metanol se produce naturalmente en pequeñas cantidades en el cuerpo humano y en frutas comestibles.
El metanol es un líquido: esto crea un mayor riesgo de incendio en comparación con el hidrógeno en espacios abiertos, ya que las fugas de metanol no se disipan. El metanol se quema invisiblemente a diferencia de la gasolina. Sin embargo, comparado con la gasolina, el metanol es mucho más seguro. Es más difícil de encender y libera menos calor cuando se quema. Los incendios de metanol se pueden extinguir con agua corriente, mientras que la gasolina flota en el agua y continúa ardiendo. La EPA ha estimado que cambiar los combustibles de gasolina a metanol reduciría la incidencia de incendios relacionados con el combustible en un 90%.
El metanol es soluble en agua: se libera accidentalmente, puede ser sometido a un transporte de aguas subterráneas relativamente rápido, causando contaminación de las aguas subterráneas, aunque este riesgo no se ha estudiado a fondo. Sin embargo, 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 para que el microorganismo comience la biodegradación. Este efecto ya se explota en las plantas de tratamiento de agua, donde el metanol ya se usa para la desnitrificación y como nutriente para las bacterias.
Solicitud
El metanol y sus derivados, como el dimetil éter, se pueden usar para generar electricidad en los motores de combustión interna clásicos y como combustible en celdas de combustible de metanol.
El almacenamiento, transporte y distribución del metanol, que es líquido a temperatura ambiente, puede utilizar la infraestructura y tecnología existentes. Las grandes distancias entre los consumidores y los productores de energías regenerativas pueden entonces ser puenteadas eficientemente. La densidad de almacenamiento de energía es aproximadamente el 50% de la densidad de almacenamiento de gasolina y diesel.
Europa
En Islandia, Carbon Recycling International opera una planta de producción de metanol. La planta lleva el nombre de Olah.
En Alemania hay un proyecto de la iniciativa Carbon2Chem de ThyssenKrupp y el Ministerio Federal de Educación e Investigación para la producción de metanol a partir de fundiciones.
China
Según un estudio realizado por la consultora Methanol Market Services Asia (MMSA), se estima que la capacidad mundial aumentará en 55.8 millones de toneladas en 2027, de las cuales 38 millones de toneladas se utilizarán como combustible.
La producción de metanol en China se basa principalmente en el carbón y se utiliza tanto como combustible con alto contenido de metanol como M85 y M100 y como un derivado como dimetil éter.En 2007, el precio del metanol al contado en China era aproximadamente el 40% del precio de la gasolina. Las comisiones estatales en China están trabajando en los estándares nacionales de combustible de metanol, los fabricantes de automóviles chinos están trabajando en motores de metanol mejorados.
Se espera que la capacidad china para la producción de dimetil éter a partir de metanol aumente de poco menos de un millón de toneladas en 2007 a más de seis millones de toneladas. Solo la empresa Sinopec quiere ampliar su capacidad de DME a tres millones de toneladas.