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Metanol: el nuevo hidrógeno
El hidrógeno ha recibido mucha publicidad como un combustible de transporte de reemplazo potencial, para reducir las emisiones de dióxido de carbono y reducir la dependencia de los combustibles fósiles. Pero el metanol sería mucho mejor que el hidrógeno más reactivo y volátil, argumenta George Olah, químico y premio Nobel, en un nuevo libro. Más allá del petróleo y el gas: la economía del metanol .
Olah señala que el metanol, un líquido de combustión limpia, solo requeriría modificaciones menores en los motores existentes y la infraestructura de suministro de combustible (consulte La economía del metanol). Y su fabricación incluso podría hacer uso de dióxido de carbono, una fuente de calentamiento global. Los beneficios del metanol se conocen desde hace mucho tiempo; ahora, los avances recientes en la síntesis de metanol y las pilas de combustible de metanol podrían hacer que este combustible sea aún más atractivo.
Actualmente, alrededor del 90 por ciento de la producción mundial de metanol (CH3OH) se deriva del metano (CH4), el principal componente del gas natural. Los métodos actuales para producir metanol tienen dos etapas: convertir metano en gas de síntesis, una mezcla de principalmente monóxido de carbono e hidrógeno, y luego en metanol. Aunque estos pasos se han vuelto más eficientes con el tiempo, la eliminación del paso del gas de síntesis podría ahorrar dinero, ya que actualmente representa hasta el 70 por ciento del costo de fabricación de metanol.
En un esfuerzo por eliminar este costo, Olah y sus colegas han explorado formas de convertir metano directamente en metanol. Se toma metano y se coloca un solo átomo de oxígeno, dice Olah, director del Instituto de Investigación de Hidrocarburos Loker de la Universidad del Sur de California (USC). Fácilmente dicho, pero no tan fácil de hacer. El problema es que el metano es químicamente inerte y se combina fácilmente con el oxígeno solo a altas temperaturas. Un catalizador ayuda, pero los catalizadores de uso común funcionan solo a 300 grados Celsius o más. A estas temperaturas, la mayor parte del metanol producido se oxida a dióxido de carbono y agua. De hecho, los rendimientos de metanol de tales reacciones pueden ser tan bajos como el 2 por ciento.
Los catalizadores de baja temperatura recientemente descubiertos ofrecen mejores rendimientos, dice Roy Periana, profesor asociado de química en la USC. Usando un catalizador a base de platino disuelto en ácido sulfúrico concentrado a 200 grados Celsius, Periana ha logrado un rendimiento de metanol de más del 70 por ciento. Ahora está buscando catalizadores menos costosos y ha encontrado algunos prometedores.
Olah y su colega Surya Prakash, profesor de química en la universidad, han desarrollado un método alternativo para convertir metano en metanol, utilizando un halógeno como el bromo. En presencia de catalizadores especiales y a menos de 250 grados Celsius, el metano reacciona con el bromo para formar bromuro de metilo (CH3Br) y bromuro de hidrógeno (HBr). Luego, el bromuro de metilo reacciona con agua para formar metanol. El bromo del bromuro de hidrógeno puede recuperarse mediante reacción con aire y reutilizarse.
Producir metanol a partir de gas natural, que todavía involucra combustibles fósiles y aumenta el dióxido de carbono en la atmósfera, es solo el primer paso, dice Olah. Los químicos saben desde hace mucho tiempo que el metanol se puede producir combinando dióxido de carbono e hidrógeno. Tal proceso requiere una energía considerable, por ejemplo, para recolectar el hidrógeno del agua, pero esta energía podría provenir de fuentes libres de carbono como la nuclear o la eólica. El dióxido de carbono podría capturarse de los gases de combustión y, eventualmente, directamente de la atmósfera, dice.
En tal sistema, el dióxido de carbono liberado al quemar metanol sería cancelado por el dióxido de carbono capturado para producirlo. Por lo tanto, el proceso sería neutro en carbono y el metanol producido sería un combustible líquido conveniente que podría reemplazar a los combustibles a base de petróleo. Si el dióxido de carbono proviene del aire y el hidrógeno del agua, este método de producción de metanol sería como la fotosíntesis rápida: no tenemos que esperar a que la vida vegetal convierta lentamente el exceso de dióxido de carbono en hidrocarburos, dice Olah. Podemos sustituir a la madre naturaleza.
Olah enfatiza que el metanol producido de esta manera no sería una nueva fuente de energía, sino simplemente una forma conveniente de almacenar energía. Su ventaja sobre el hidrógeno sería la capacidad de utilizar los motores y la infraestructura existentes con solo modificaciones menores.
En muchos sentidos, con sus bajas emisiones y un octanaje de 100, el metanol ya es un mejor combustible para los motores de combustión interna que la gasolina. Un motor de metanol puede funcionar con una relación de compresión más alta y es más fácil de enfriar. Pero el metanol tiene algunos inconvenientes: tiene una presión de vapor más baja que la gasolina, lo que hace que los motores sean lentos en los arranques en frío, y arde con una llama invisible, lo que podría ser un peligro para la seguridad, ya que sería difícil para los trabajadores de emergencia detectarlo en un accidente. , por ejemplo. Para mitigar estos problemas, el metanol en la actualidad se suele mezclar con un 15 por ciento de gasolina para hacer una mezcla de combustible conocida como M85.
El metanol es un combustible automotriz aún mejor cuando se usa en combinación con la tecnología de celdas de combustible, dice Paul Erickson, profesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad de California, Davis. Las pilas de combustible, que convierten la energía química directamente en electricidad, son más eficientes que los motores que queman combustible. La pila de combustible de hidrógeno, en particular, se ha propuesto ampliamente como una alternativa limpia y eficiente a los motores de combustión interna de gasolina. El laboratorio de Erickson tiene un autobús de pila de combustible de hidrógeno en funcionamiento con un reactor a bordo que reforma el metanol para producir hidrógeno para sus pilas de combustible. Evitamos por completo tener que almacenar hidrógeno, dice Erickson.
Sin embargo, la reforma a bordo consume espacio y energía. En 1993, Prakash, Olah y un equipo del Laboratorio de Propulsión a Chorro en Pasadena, CA, inventaron conjuntamente una celda de combustible que funciona directamente con una mezcla de metanol y agua. Los electrodos positivos y negativos de la celda están separados por una membrana diseñada para permitir que solo los protones del metanol migren de un electrodo a otro. Sin embargo, las primeras versiones de esta membrana permitieron que algo de metanol pasara y reaccionara con el oxígeno en el segundo electrodo, lo que redujo el voltaje de la celda y desperdició energía en forma de calor.
En 2001, Prakash y sus colegas desarrollaron una nueva membrana que es más barata y más resistente al cruce. Con este refinamiento, la celda de combustible de metanol directo proporciona una eficiencia del 35 por ciento, aproximadamente el doble de la de un motor de combustión interna, pero muy por debajo de su eficiencia teórica del 97 por ciento.
La pila de combustible de metanol directo es actualmente demasiado cara para su uso en turismos. Su alto costo proviene principalmente del platino y rutenio utilizados como catalizadores. Prakash y otros están desarrollando una variedad de enfoques para reducir la cantidad de catalizador necesaria: hacer que el catalizador sea más activo, aumentar su área de superficie y usar métodos a nanoescala. Cuando esta tecnología madure, Erickson cree que podría reemplazar la pila de combustible de hidrógeno. Una pila de combustible de metanol directo barata y de alta potencia es el Santo Grial, dice.