Ganar el premio mayor del gas natural

Comparado con el petróleo, el gas natural es tan abundante que es asombroso. Las reservas probadas de petróleo son buenas para otro billón de barriles más o menos. Al ritmo de consumo actual, durarán unos 40 años. Agregue las reservas de petróleo que se cree que existen pero que aún no se han descubierto, y la línea de tiempo se extiende a unos 160 años.

Las reservas conocidas de gas natural, que se componen principalmente de metano hidrocarburo simple, durarán unos 50 años al ritmo de consumo actual. Las estimaciones de recursos de gas probables, pero aún no descubiertos, extienden esa proyección a unos 200 años. Pero cuando se agrega el gas natural que se cree que se encuentra enterrado en las profundidades del océano en hidratos de metano, el potencial es alucinante. Los hidratos, cristales de hielo que atrapan las moléculas de metano, se forman por debajo de los 300 metros de profundidad como resultado de las bacterias productoras de metano. Se sabe muy poco sobre la cantidad de gas que se embotella en estos cristales o cómo sacarlo, pero las mejores suposiciones son que las reservas podrían, incluso con las tasas de consumo de gas natural duplicándose en las próximas décadas, durar decenas de miles de años. .

Esta historia fue parte de nuestro número de enero de 2002

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Independientemente de cómo haga la aritmética, hay mucho gas natural por ahí. Además de su atractivo como combustible del futuro, el metano se quema mucho más limpio que el petróleo. Pero hay un gran problema: el gas natural es volátil y caro de transportar. Una de las maravillas del petróleo es que puede verterlo por tuberías, cargarlo en camiones cisterna o barcazas y enviarlo de forma segura a todo el mundo. Por el contrario, el gas natural se envía con mayor frecuencia como líquido, que debe mantenerse a una temperatura de -130 C o a decenas de atmósferas de presión. También se puede transportar como gas en tuberías, pero debido a que el gas debe mantenerse comprimido, esa es una propuesta costosa: una estimación es que una tubería para sacar gas de Alaska y entrar en los 48 estados más bajos costaría alrededor de $ 15 a $ 20 mil millones. para construir.

Agregue el hecho de que muchas grandes reservas se encuentran en lugares remotos como la vertiente norte de Alaska o Siberia, y el resultado es que gran parte del gas natural del mundo ahora no tiene valor comercial. Del [gas natural] en el que todos están de acuerdo, más de la mitad no tiene absolutamente ningún [valor] de mercado, dice Mark Agee, presidente de Syntroleum, una empresa de energía de Tulsa, OK. Ninguno en absoluto. Está en lugares como la plataforma noroeste de Australia, Papua Nueva Guinea, la costa oeste de África, la vertiente norte de Alaska. Lugares realmente remotos sin un mercado listo cerca.

Para un ingeniero químico, la solución a este dilema, al menos en teoría, es relativamente simple. Si pudiera transformar químicamente este gas peligroso en un hidrocarburo líquido, como aceite sintético o incluso gasolina, podría transportarse fácil y económicamente a temperatura ambiente y presión normal. Estos combustibles sintéticos podrían fluir directamente a los oleoductos existentes o embarcarse en buques cisterna con destino al mercado. Después de un mayor refinamiento, incluso podrían distribuirse a través de la red existente de estaciones de servicio. Como una ganga adicional, dado que el material de partida es gas natural virtualmente sin azufre, los combustibles resultantes también estarían libres de azufre y contaminantes aromáticos que contaminan otros productos del petróleo. En otras palabras, tendría una fuente de combustible fácilmente disponible que es potencialmente mucho más barata y más limpia que el aceite.

Algunas de las compañías petroleras más grandes del mundo están invirtiendo miles de millones de dólares para construir refinerías que utilizan tecnología de conversión de gas a líquido para convertir el metano en combustibles diesel y gasolina ultralimpios. Utilizando procesos de refinería de alta presión y alta temperatura, estas nuevas plantas, que se están construyendo en lugares como Bintulu, Malasia, convertirán el gas natural en productos líquidos que se envían fácilmente al mercado y muy probablemente competitivos en costos con los productos del petróleo.

Pero algunos investigadores creen que tienen una idea mucho mejor. Los procesos utilizados en las nuevas plantas se basan en la química que se remonta a principios de la década de 1920 y son costosos e ineficientes. Un pequeño grupo de químicos e ingenieros químicos está trabajando para descubrir catalizadores (materiales que aceleran las reacciones químicas pero que no se consumen en el proceso) para convertir directamente el gas natural en combustibles líquidos a bajas temperaturas y presiones. Si estos catalizadores funcionan, y eso sigue siendo un gigante Si -Hacerán posibles procesos de refinería simples y baratos que podrían liberar las vastas reservas sin explotar de gas natural. De hecho, obligarían a los expertos a rehacer sus cálculos de los suministros energéticos del mundo. De repente, los recursos de metano sin explotar en Siberia y el norte de Canadá podrían ser tan importantes para el mundo como los vastos campos petroleros de Arabia Saudita.

Pasado negro

La idea de fabricar combustibles sintéticos líquidos no es nueva. En 1923, dos investigadores del carbón alemanes, Franz Fischer y Hans Tropsch, descubrieron una forma de convertir las copiosas reservas de carbón del valle del Ruhr en petróleo sintético. Fischer y Tropsch sabían que si calentaban una pila de carbón, producirían una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno. Los científicos descubrieron que al pasar este gas sobre catalizadores metálicos, podían producir combustible sintético. Durante la Segunda Guerra Mundial, el gobierno alemán utilizó el proceso Fischer-Tropsch para producir alrededor de 600.000 barriles por año de combustible militar a partir de los abundantes depósitos de carbón del país.

Después de la guerra, las agencias de inteligencia aliadas destrozaron las plantas alemanas para averiguar cómo funcionaban, y una pequeña planta Fischer-Tropsch se hizo funcionar en Brownsville, TX, de 1948 a 1953. En la década de 1950, el gobierno de Sudáfrica se encontró, como el régimen nazi, con poco o ningún acceso al petróleo; recurrió al proceso Fischer-Tropsch y construyó varias plantas para convertir el carbón de los extensos depósitos del país en combustibles sintéticos.

Y allí la tecnología podría haberse quedado, confinada en su mayor parte a las naciones hambrientas de petróleo, excepto por la creciente tentación actual de aprovechar las vastas reservas de gas natural remoto y barato. El metano, como el carbón, se puede utilizar para producir una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno; excepto por el material de partida, el proceso de síntesis de combustible funciona exactamente igual que con el carbón. Exxon Mobil, Shell y Sasol de Sudáfrica están involucradas en grandes proyectos para convertir el gas natural en líquido. En total, las principales compañías petroleras planean gastar casi $ 10 mil millones en capacidad de conversión de gas a líquido en plantas futuras.

Uno de los jugadores más pequeños y agresivos es Syntroleum de Tulsa. Al igual que las grandes empresas petroleras, Syntroleum apuesta por la conversión de Fischer-Tropsch para convertir el gas natural varado en hidrocarburos líquidos ultralimpios de fácil transporte. Gracias a los catalizadores mejorados y al diseño del reactor, dice la compañía, los hidrocarburos líquidos hechos de metano ahora son extremadamente competitivos con el petróleo en el mercado. Los combustibles sintéticos que podemos fabricar son 100 por ciento compatibles con los productos convencionales, dice Mark Agee, presidente de Syntroleum. Con el gas natural, el costo de la materia prima [en barriles equivalentes de petróleo] oscila entre cero y 10 dólares el barril, en comparación con el petróleo a 20 dólares. Nos han ofrecido gas en la costa occidental de África a cinco centavos por mil pies cúbicos, o 50 centavos el barril.

Catalizador perfecto

Pero el proceso Fischer-Tropsch es inherentemente ineficiente y costoso, y desde el punto de vista de un químico, inherentemente torpe. El proceso requiere temperaturas de alrededor de 800 a 900 oC, y esas se logran quemando parte del gas que se está convirtiendo. La tecnología también es relativamente no selectiva y produce una amplia gama de moléculas de hidrocarburos, algunas de las cuales son inútiles. Básicamente, lo que está mal es que es tecnología de la década de 1940, dice Roy Periana, químico de la Universidad del Sur de California. Utiliza fuerza bruta y altas temperaturas para lograr las conversiones.

Déle a cualquier químico orgánico un lápiz y una libreta de papel, y él o ella podrá trazar rápidamente una ruta simple y más elegante hacia los hidrocarburos líquidos. El gas natural es principalmente metano; transformarlo en metanol, un líquido fácilmente transportable, es simplemente una cuestión de agregar un átomo de oxígeno a la molécula de metano. Sin embargo, existen un par de grandes problemas para convertir esta teoría de síntesis directa en una realidad química. El catalizador necesita romper los estrechos enlaces carbono-hidrógeno en el metano para permitir que reaccione el oxígeno. Y aquí es donde se pone realmente complicado, la reacción necesita agregar un solo átomo de oxígeno a cada molécula de metano; déjelo continuar y agregue un átomo de oxígeno adicional, y creará dióxido de carbono sin valor.

El truco se puede realizar en el laboratorio, pero los catalizadores existentes no son lo suficientemente eficientes para producir los rendimientos necesarios para competir con el petróleo. Periana, por ejemplo, ha estado persiguiendo el catalizador perfecto durante más de una década. A mediados de la década de 1990, Periana trabajó en una pequeña empresa de California llamada Catalytica, donde dirigió un equipo que trabajaba en nuevos catalizadores para esta conversión directa. En Catalytica, descubrimos dos sistemas, dice. Uno era un catalizador de mercurio que daba un rendimiento del 40 por ciento en un paso a 180 grados. El otro era un sistema de platino que daba un rendimiento del 70 por ciento a 220 grados. En ese momento, la gente comenzó a decir que tal vez esto era realmente posible. Pero estos comienzos prometedores chocaron con algunos hechos inmutables de la química básica. Si bien la conversión directa de metano fue impresionante desde el punto de vista químico, todavía no era comercialmente viable. Si va a reemplazar un proceso básico como este, dice Periana, realmente debe tener un proceso revolucionario. Las mejoras marginales no lo van a hacer.

A pesar de los obstáculos químicos, Periana sigue siendo optimista. Tenemos algunos clientes potenciales y los estamos combinando con el conocimiento de cómo han funcionado los sistemas anteriores. Y ahora mismo, es justo decir que esta es una carrera. Los fundamentos están establecidos, y es una cuestión de quién llegará primero, dice. La pregunta en la mente de todos ahora es quién encontrará el catalizador adecuado y cuándo, y cuál será. Ni siquiera es una cuestión de si '.

Rompecabezas de la naturaleza

Incluso las principales compañías petroleras que invierten en convertir metano en combustibles líquidos mediante enfoques indirectos están financiando investigaciones sobre conversión directa. El año pasado, BP otorgó $ 1 millón por año durante 10 años a la Universidad de California, Berkeley y Caltech para la investigación de conversión de metano, con parte de la subvención destinada a la conversión directa. La búsqueda de catalizadores, dice Alex Bell, un ingeniero químico de Berkeley, es una combinación de arte y ciencia. No puedo sentarme ahora y decir que hay un algoritmo para encontrar un catalizador para una reacción determinada. Se basa en el conocimiento pasado de lo que funciona e intenta mejorarlo con un conocimiento de la química fundamental. Gran parte de ella trata de establecer patrones y pensamiento estratégico sobre los principios químicos que llevan el metano a productos específicos.

Y nadie espera un gran avance mañana. Enrique Iglesia, otro ingeniero químico de Berkeley involucrado en el programa BP, ha estado trabajando en la conversión de metano durante casi 20 años. La conversión directa de metano es algo con lo que soñamos, pero la naturaleza se interpone en nuestro camino, dice. El metano tiene uno de los enlaces más fuertes que conocemos y sus productos de reacción suelen tener enlaces más débiles. Es difícil detenerse en los productos deseados, por lo que esta es una química difícil.

Pocos podrían sospechar que la solución a los problemas energéticos del mundo saldrá del campo esotérico de la ciencia de la catálisis. Pero con las vastas reservas sin explotar de gas natural que alimentan la imaginación de los químicos, la búsqueda del catalizador perfecto continúa. Química dura, pero si tiene éxito, cambiará los cálculos energéticos del mundo.

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