El metanol es sin ninguna duda el gran aliado del hidrógeno para lograr que este sea capaz de penetrar en el sector marítimo y en el sector químico. Esta molécula, con un consumo superior hoy en día a las 100 millones de toneladas por año, ofrece un consumo inmediato de hidrógeno para los proyectos de hidrógeno renovable, lo que explica que gran parte de los promotores estén buscando orientar sus proyectos actuales hacia la producción de metanol renovable.
En este artículo de AtlantHy Academy, te contamos nuestros aprendizajes obtenidos en el desarrollo de varias plantas de metanol en los últimos años.
Introducción al metanol
El metanol (CH3OH) es un líquido incoloro soluble en agua con un ligero olor alcohólico. Se congela a -97,6°C, evapora a 64,6°C y tiene una densidad de 791 kg/m3 a 15°C (IRENA, Renewable Methanol Outlook, 2021).
En la actualidad, el metanol es uno de los cuatro compuestos químicos más producidos a escala global junto a otros compuestos críticos como el etileno, el propileno y el amoníaco. La demanda anual de este compuesto casi se duplicó durante la última década alcanzando aproximadamente 110 Mt en 2023 (BloombergNEF), mientras que la capacidad de producción global ha alcanzado alrededor de 183 Mt, estando el 70 % centrado en China.
Actualmente se destinan 2/3 de su capacidad de producción a la síntesis de compuestos químicos como el formaldehído, el ácido acético, el metilmetacrilato y el etileno y propileno a través de la ruta metanol-a-olefinas (MTO, methanol-to-olefins). Esto compuestos químicos se procesan posteriormente para producir cientos de productos que son imprescindibles en la vida diaria, desde pinturas y plásticos hasta componentes de automóviles y materiales de construcción (IRENA & Methanol Institute, 2021). Al mismo tiempo, también se está valorando su uso para producción de compuestos aromáticos como el xileno, benceno y tolueno, pero esta ruta (Methanol-to-Aromatics, MTA) todavía se encuentra en fase de desarrollo (IEA, The Future of Hydrogen, 2019).
El segundo uso mayoritario del metanol es como combustible, empleándose sólo o en mezcla con otros combustibles. La demanda en este sector también ha crecido rápidamente en los últimos años, con el uso directo del metanol como combustible aumentando en más de un 14% en 2021. En la siguiente gráfica se puede observar el crecimiento que ha sufrido la demanda de metanol en los últimos años, alcanzando un valor del 3,5% de crecimiento anual (IRENA, 2021).
Como la producción mundial de MEOH de hoy en día se basa en el uso de gas natural o carbón, las emisiones de la producción y el uso actual de metanol son de alrededor de 0,3 gigatoneladas (Gt) de CO2 por año (alrededor del 10% de las emisiones totales del sector químico), por lo que se evidencia la necesidad de descarbonizar dichas actividades.
Sin embargo, el metanol también se puede producir a partir de otras materias primas que contienen carbono, incluida la biomasa, el biogás, las corrientes de desechos y el CO2 capturado de multitud de fuentes. El metanol renovable se puede producir utilizando energía renovable y materias primas renovables a través de dos rutas:
- Ruta biológica: en este caso se conoce como biometanol y se produce a partir de biomasa. Las principales materias primas sostenibles de biomasa incluyen: residuos y subproductos forestales y agrícolas, biogás de vertederos, aguas residuales, RSU y licor negro de la industria de la pulpa y el papel.
- Ruta Power-to-X: el metanol obtenido por esta ruta se conoce como e-metanol y el proceso requiere de hidrógeno renovable, es decir, hidrógeno producido a partir de electricidad renovable mediante electrólisis, y dióxido de carbono capturado.
En el contexto actual de transición energética, la producción de metanol sintético obtenido a partir de CO2 e hidrógeno renovable se presenta como una alternativa a la que varios países se han sumado; el Instituto del Metanol estima que actualmente existen más de 174 proyectos de metanol renovable en el mundo y, que para 2030, se producirán más de 11 Mt de este compuesto.
A pesar de que actualmente existen varias tecnologías de producción de metanol renovable, algunas de ellas todavía se encuentran en fases de desarrollo, siendo la que más potencial presenta aquella que produce el hidrógeno necesario a través de la electrólisis del agua (Ilustración 1). Este hidrógeno debe posteriormente combinarse con dióxido de carbono dentro de un reactor para dar lugar al metanol. La etapa de síntesis de e-metanol es muy similar a la de la producción de metanol a partir de gas de síntesis basado en combustibles fósiles y, por lo tanto, esta tecnología posee un elevado grado de madurez (TRL 8-9).
Por tanto, es necesario insistir en que la producción de metanol renovable sintético, es decir, aquel en el cual el hidrógeno se produce a partir de la electrólisis del agua, consiste en la combinación de hidrógeno con dióxido de carbono en un reactor catalítico para que se produzca la hidrogenación del CO2.
Proceso de producción de metanol renovable
Cada mol de CO2 se convertirá en un mol de metanol, requiriéndose tres moléculas de hidrógeno y produciéndose como subproducto un mol de agua. El proceso de síntesis de metanol a partir de la hidrogenación del CO2 se puede describir mediante tres reacciones de equilibrio, que son la hidrogenación del CO2(1), la reacción de desplazamiento inversa de gas del agua (2) y la hidrogenación del CO (3) (Sollai, 2023) (Nieminen, 2019):
Termodinámicamente, la hidrogenación de CO2 a CH3OH es favorable para la producción de CH3OH a baja temperatura y alta presión debido a la reacción exotérmica y al menor número de moles de productos. Además de la producción de CH3OH, esta reacción suele ir acompañada de la producción de monóxido de carbono (CO), en un paso también conocido como reacción inversa de desplazamiento de gas de agua (RWGS) (Yang, 2022):
En cuanto a la temperatura de reacción, la reacción RWGS es endotérmica, y se producirá más CO a altas temperaturas. En su conjunto, la temperatura de reacción debe ser relativamente baja para tener una excelente selectividad hacia el CH3OH. Sin embargo, a bajas temperaturas, la tasa de conversión de CO2 es muy baja. Por lo tanto, es un conflicto para la hidrogenación de CO2 a CH3OH lograr una alta conversión y selectividad simultáneamente. El CO producido reacciona con el hidrógeno para, de una forma similar a los reactores convencionales, producir metanol siguiendo una reacción que es la siguiente:
Los catalizadores más eficientes para la hidrogenación de CO2 a metanol son los sistemas catalíticos de múltiples componentes. En cuanto a las condiciones de este proceso, son prácticamente idénticas al proceso convencional, pues la reacción se lleva a cabo a temperaturas entre 200°C y 300°C y presiones de 40 – 100 bar (IRENA, Renewable Methanol Outlook, 2021).
Como se aprecia en el diagrama general del proceso de producción de e-metanol, las alimentaciones de hidrógeno y dióxido de carbono se comprimen hasta el valor de presión necesario en la etapa de síntesis y se introducen en el reactor de producción de metanol.
El reactor es la unidad en la cual se produce el metanol mediante hidrogenación de dióxido de carbono. En este equipo, a elevada presión (40 – 100 bar) y elevada temperatura (200 – 300 °C) ocurre la reacción de hidrogenación del CO2 mediante la combinación de hidrógeno y dióxido de carbono en presencia de un catalizador basado en cobre, aluminio y zinc (Cu/ZnO/Al2O3), obteniéndose una corriente de metanol y agua (subproducto) conocida como metanol crudo[1].
Debido a que el proceso de hidrogenación de CO2 es exotérmico (libera energía), se requiere de un sistema de eliminación de calor que puede consistir tanto en el empleo de agua como refrigerante, la cual se evapora y forma vapor aprovechando el calor residual de la reacción (Reactor de Agua en Ebullición, Boiling Water Reactor/BWR), como en un enfriamiento con el propio gas de entrada al reactor (mezcla de H2 y CO2), de forma que la corriente de salida del reactor sirve para precalentar la mezcla de hidrógeno y dióxido de carbono que se alimenta al lazo de síntesis.
Una vez que el metanol se ha formado en el reactor, se dirige al sistema de destilación, ya que este compuesto sale diluido en agua. En este sistema, se separan el CH3OH y el H2O, así como otros posibles subproductos, obteniendo corrientes prácticamente puras de ambos compuestos. Para ello, es necesario aplicar energía en forma de calor, por lo que el calor residual producido en el reactor como resultado de las reacciones podría integrarse con los requerimientos térmicos de esta columna, reduciendo la necesidad de aportes energéticos adicionales.
Existen varias opciones para la destilación del metanol crudo con el objetivo de lograr obtener un metanol de alto grado de calidad (AA Grade o IMPCA Grade), de forma que pueden ser necesarias una o más columnas de destilación en función de diferentes criterios (gastos operacionales, cantidad de subproductos, gastos de inversión, uso final del metanol para industria química o como combustible).
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Si te ha gustado este artículo, permanece atento para seguir aprendiendo en la segunda parte, donde hablaremos sobre la gran oportunidad de mercado para esta molécula, así como de las magnitudes presentes en una planta de metanol, tanto en términos de consumos como de inversiones… ¡Síguenos en AtlantHy Academy!
Referencias
IEA. (2019). The Future of Hydrogen. París.
IRENA & Methanol Institute. (2021). Innovation Outlook : Renewable Methanol.
IRENA. (2021). Renewable Methanol Outlook.
Nieminen, H. (2019). CO2 Hydrogenation to Methanol by a Liquid-Phase Process with Alcoholic Solvents: A Techno-Economic Analysis. Processes.
Sollai, S. (2023). Renewable methanol production from green hydrogen and captured CO2: A techno-economic assessment. Journal of CO2 Utilization.
Yang, Y.-N. (2022). Enhanced methanol production by two-stage reaction of CO2 hydrogenation at atmospheric pressure. Catalysis Communications.