Licuefacción del carbón

La licuefacción del carbón es un proceso químico que convierte el carbón sólido en hidrocarburos líquidos, incluidos combustibles sintéticos y productos petroquímicos . A menudo denominada "de carbón a líquidos" (CTL) o, de forma más amplia, "de carbono a X" (donde X representa varios productos a base de hidrocarburos), la licuefacción del carbón ofrece una alternativa a los combustibles convencionales derivados del petróleo. ^{[ 1 ]} El proceso se puede clasificar en dos enfoques principales: licuefacción directa (DCL), que transforma químicamente el carbón en productos líquidos utilizando alta presión e hidrógeno, y licuefacción indirecta (ICL), que primero gasifica el carbón en gas de síntesis (una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno) que posteriormente se convierte en combustibles líquidos, a menudo mediante la síntesis de Fischer-Tropsch .

La licuefacción del carbón ha desempeñado un papel histórico significativo, especialmente en países sin reservas nacionales de petróleo. Se desarrolló ampliamente en Alemania a principios del siglo XX y se utilizó para suministrar combustible durante la Segunda Guerra Mundial . En la década de 1950, Sudáfrica adoptó la tecnología CTL a través de la empresa estatal Sasol para mejorar la seguridad energética, una práctica que continúa hasta el día de hoy. En las últimas décadas, países como China han ampliado los proyectos de licuefacción del carbón para satisfacer la creciente demanda de energía.

Si bien la licuefacción del carbón puede contribuir a la independencia energética, plantea preocupaciones ambientales , en particular en lo que respecta a las altas emisiones de dióxido de carbono y el consumo de agua. La investigación actual se centra en mejorar la eficiencia, integrar la biomasa e incorporar tecnologías de captura de carbono para mitigar los impactos ambientales. A pesar de los desafíos económicos y ecológicos, la licuefacción del carbón sigue siendo un tema de interés mundial, especialmente en regiones con abundantes reservas de carbón y acceso limitado al petróleo crudo .

La licuefacción del carbón se desarrolló originalmente a principios del siglo XX. ^{[ 2 ]} El proceso CTL más conocido es la síntesis de Fischer-Tropsch (FT), que recibe su nombre de los inventores Franz Fischer y Hans Tropsch del Instituto Kaiser Wilhelm en la década de 1920. ^{[ 3 ]} La síntesis FT es la base de la tecnología de licuefacción indirecta del carbón (ICL). Friedrich Bergius , también químico alemán, inventó la licuefacción directa del carbón (DCL) como una forma de convertir el lignito en petróleo sintético en 1913.

La licuefacción del carbón fue una parte importante del plan cuatrienal de Adolf Hitler de 1936 y se convirtió en parte integral de la industria alemana durante la Segunda Guerra Mundial . ^{[ 4 ]} A mediados de la década de 1930, empresas como IG Farben y Ruhrchemie iniciaron la producción industrial de combustibles sintéticos derivados del carbón. Esto condujo a la construcción de doce plantas DCL mediante hidrogenación y nueve plantas ICL mediante síntesis Fischer-Tropsch para el final de la Segunda Guerra Mundial. La licuefacción del carbón proporcionó el 92 % del combustible aéreo de Alemania y más del 50 % de su suministro de petróleo en la década de 1940, mitigando parcialmente la escasez de combustible para el ejército nazi. ^{[ 2 ]}

Las plantas DCL e ICL se complementaban eficazmente en lugar de competir. Esto se debía a que la hidrogenación del carbón producía gasolina de alta calidad para aviación y motores, mientras que la síntesis Fischer-Tropsch producía principalmente diésel, aceite lubricante y ceras de alta calidad, junto con pequeñas cantidades de gasolina de menor calidad. Las plantas DCL también estaban más desarrolladas, ya que el lignito —el único carbón disponible en muchas partes de Alemania— funcionaba mejor con la hidrogenación que con la síntesis Fischer-Tropsch. Tras la guerra, Alemania abandonó la producción de combustibles sintéticos al ser considerada responsable de la derrota bélica y al ser prohibida por la Conferencia de Potsdam en 1945. ^{[ 4 ]}

En la década de 1950, Sudáfrica desarrolló su propia tecnología CTL. La South African Coal, Oil and Gas Corporation ( Sasol ) se fundó en 1950 como parte del proceso de industrialización que el gobierno sudafricano consideraba esencial para el desarrollo económico continuo y la autonomía. ^{[ 5 ]} En ese momento, Sudáfrica no tenía reservas nacionales de petróleo conocidas, lo que la hacía muy vulnerable a las interrupciones en el suministro proveniente del exterior, aunque por diferentes razones en diferentes momentos. Sasol fue una forma exitosa de proteger la balanza de pagos del país frente a la creciente dependencia del petróleo extranjero. Durante años, su principal producto fue el combustible sintético, y esta empresa gozó de una importante protección gubernamental en Sudáfrica durante los años del apartheid por su contribución a la seguridad energética nacional . ^{[ 6 ]}

Aunque producir petróleo a partir de carbón era generalmente mucho más caro que a partir de petróleo natural, la importancia política y económica de lograr la mayor independencia posible en este ámbito fue suficiente para superar cualquier objeción. Los primeros intentos de atraer capital privado, tanto extranjero como nacional, fracasaron, y solo con el apoyo estatal se pudo iniciar la licuefacción del carbón. La licuefacción del carbón siguió desempeñando un papel vital en la economía nacional de Sudáfrica, cubriendo alrededor del 30 % de su demanda interna de combustible. La democratización de Sudáfrica en la década de 1990 llevó a Sasol a buscar productos que pudieran ser más competitivos en el mercado global; a principios del nuevo milenio, la empresa se centró principalmente en su negocio petroquímico, así como en los esfuerzos por convertir gas natural en petróleo crudo ( GTL ) utilizando su experiencia en la síntesis de Fischer-Tropsch.

Las tecnologías específicas de licuefacción generalmente se dividen en dos categorías: procesos de licuefacción directa (DCL) y procesos de licuefacción indirecta (ICL). Los procesos directos se basan en enfoques como la carbonización , la pirólisis y la hidrogenación . ^{[ 7 ]}

Los procesos de licuefacción indirecta generalmente implican la gasificación del carbón a una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno , a menudo conocida como gas de síntesis o simplemente syngas . Mediante el proceso Fischer-Tropsch, el syngas se convierte en hidrocarburos líquidos. ^{[ 8 ]}

En contraste, los procesos de licuefacción directa convierten el carbón en líquidos directamente sin depender de pasos intermedios, descomponiendo la estructura orgánica del carbón mediante la aplicación de un disolvente donador de hidrógeno , a menudo a altas presiones y temperaturas. ^{[ 9 ]} Dado que los hidrocarburos líquidos generalmente tienen una relación molar hidrógeno-carbono más alta que el carbón, se deben emplear procesos de hidrogenación o de rechazo de carbono tanto en las tecnologías ICL como DCL.

A escala industrial (es decir, miles de barriles/día), una planta de licuefacción de carbón normalmente requiere inversiones de capital de miles de millones de dólares. ^{[ 10 ]}

Procesos de hidrogenación

Uno de los principales métodos de conversión directa de carbón a líquidos mediante hidrogenación es el proceso Bergius , desarrollado por Friedrich Bergius en 1913. En este proceso, el carbón seco se mezcla con petróleo pesado reciclado. Generalmente se añade un catalizador a la mezcla. La reacción tiene lugar entre 400 °C (752 °F) y 500 °C (932 °F) y a una presión de hidrógeno de 20 a 70 MPa . La reacción se puede resumir de la siguiente manera: ^{[ 7 ]}     

${\displaystyle n{\ce {C}}+(n+1){\ce {H2 -> C}}{}_{n}{\ce {H}}_{2n+2}}$

Después de la Primera Guerra Mundial, se construyeron en Alemania varias plantas basadas en esta tecnología; estas plantas se utilizaron ampliamente durante la Segunda Guerra Mundial para abastecer a Alemania con combustible y lubricantes. ^{[ 13 ]} El proceso Kohleoel, desarrollado en Alemania por Ruhrkohle y VEBA , se utilizó en la planta de demostración con una capacidad de 200  toneladas de lignito por día, construida en Bottrop , Alemania. Esta planta operó de 1981 a 1987. En este proceso, el carbón se mezcla con un disolvente reciclado y un catalizador de hierro. Después del precalentamiento y la presurización, se agrega H _2. El proceso tiene lugar en un reactor tubular a una presión de 300 bar (30 MPa; 4400 psi) y a una temperatura de 470 °C (880 °F) . ^{[ 14 ]} Este proceso también fue explorado por SASOL en Sudáfrica.     

Durante las décadas de 1970 y 1980, las empresas japonesas Nippon Kokan , Sumitomo Metal Industries y Mitsubishi Heavy Industries desarrollaron el proceso NEDOL. En este proceso, el carbón se mezcla con un disolvente reciclado y un catalizador sintético a base de hierro; tras el precalentamiento, se añade H₂ _. La reacción tiene lugar en un reactor tubular a una temperatura entre 430 °C (810 °F) y 465 °C (870 °F) y a una presión de 150–200 bar (15–20 MPa; 2200–2900 psi) . El petróleo producido es de baja calidad y requiere un procesamiento intensivo. ^{[ 14 ]}       

El proceso H-Coal, desarrollado por Hydrocarbon Research, Inc. en 1963, mezcla carbón pulverizado con líquidos reciclados, hidrógeno y catalizador en un reactor de lecho fluidizado . Las ventajas de este proceso son que la disolución y el mejoramiento del petróleo se realizan en un solo reactor, los productos tienen una alta relación H/C y un tiempo de reacción rápido, mientras que las principales desventajas son el alto rendimiento de gas (básicamente se trata de un proceso de craqueo térmico), el alto consumo de hidrógeno y la limitación del uso del petróleo únicamente como fueloil para calderas debido a las impurezas. ^{[ 11 ]}

Los procesos SRC-I y SRC-II (carbón refinado con solventes) fueron desarrollados por Gulf Oil e implementados como plantas piloto en los Estados Unidos en las décadas de 1960 y 1970. ^{[ 14 ]}

La Nuclear Utility Services Corporation desarrolló un proceso de hidrogenación que fue patentado por Wilburn C. Schroeder en 1976. El proceso implicaba carbón seco y pulverizado mezclado con aproximadamente un 1 % en peso de catalizadores de molibdeno . ^{[ 7 ]} La hidrogenación se llevó a cabo mediante el uso de gas de síntesis a alta temperatura y presión producido en un gasificador separado. El proceso finalmente produjo un producto crudo sintético, nafta , una cantidad limitada de gas C ₃ /C ₄ , líquidos de peso ligero a medio (C ₅ -C ₁₀ ) aptos para su uso como combustibles, pequeñas cantidades de NH ₃ y cantidades significativas de CO ₂ . ^{[ 15 ]} Otros procesos de hidrogenación de una sola etapa son el proceso de disolvente donante de Exxon, el proceso de alta presión de Imhausen y el proceso de cloruro de zinc de Conoco. ^{[ 14 ]}

También existen varios procesos de licuefacción directa de dos etapas; sin embargo, después de la década de 1980, solo se han desarrollado el Proceso de Licuefacción Catalítica de Dos Etapas, modificado a partir del Proceso H-Coal; el Proceso de Extracción con Solventes Líquidos de British Coal ; y el Proceso de Licuefacción de Brown Coal de Japón. ^{[ 14 ]}

Shenhua , una empresa minera de carbón china, decidió en 2002 construir una planta de licuefacción directa en Erdos, Mongolia Interior ( Erdos CTL ), con una capacidad de 20.000 barriles por día (3,2 × 10³ ^m³ /d) ^{de productos líquidos} , incluyendo gasóleo, gas licuado de petróleo (GLP) y nafta (éter de petróleo). Las primeras pruebas se llevaron a cabo a finales de 2008. Una segunda campaña de pruebas, más extensa, se inició en octubre de 2009. En 2011, el Grupo Shenhua informó que la planta de licuefacción directa había estado en funcionamiento continuo y estable desde noviembre de 2010, y que Shenhua había obtenido 800 millones de yuanes (125,1 millones de dólares) en ganancias antes de impuestos en los primeros seis meses de 2011 con el proyecto. ^{[ 16 ]} 

Chevron Corporation desarrolló un proceso inventado por Joel W. Rosenthal llamado Proceso de Licuefacción de Carbón de Chevron (CCLP). ^{[ 17 ]} Es único debido al acoplamiento directo del disolvente no catalítico y la unidad de hidroprocesamiento catalítico . El petróleo producido tenía propiedades únicas en comparación con otros petróleos de carbón; era más ligero y contenía muchas menos impurezas de heteroátomos. El proceso se amplió a un nivel de 6 toneladas por día, pero no se demostró su viabilidad comercial.

Por lo general, los procesos de licuefacción del carbón se asocian con importantes emisiones de CO₂ _provenientes del proceso de gasificación, así como de la generación del calor y la electricidad necesarios para los reactores de licuefacción, ^{[ 10 ]} liberando así gases de efecto invernadero que pueden contribuir al calentamiento global antropogénico . Esto es especialmente cierto si la licuefacción del carbón se lleva a cabo sin tecnologías de captura y almacenamiento de carbono . ^{[ 21 ]} Existen configuraciones técnicamente viables de plantas CTL con bajas emisiones. ^{[ 22 ]}

El alto consumo de agua en la reacción de desplazamiento del gas de agua o en el reformado de metano con vapor es otro efecto ambiental adverso. ^{[ 10 ]}

En Estados Unidos, el Estándar de Combustibles Renovables y el estándar de combustibles bajos en carbono , como el promulgado en el estado de California, reflejan una creciente demanda de combustibles con baja huella de carbono . Asimismo, la legislación estadounidense ha restringido el uso militar de combustibles líquidos alternativos únicamente a aquellos que demuestren tener emisiones de gases de efecto invernadero durante su ciclo de vida inferiores o iguales a las de su equivalente convencional derivado del petróleo, según lo exige la Sección 526 de la Ley de Independencia y Seguridad Energética (EISA) de 2007. ^{[ 23 ]}

El ejército de Estados Unidos cuenta con un programa activo para promover el uso de combustibles alternativos, ^{[ 24 ]} y la utilización de las vastas reservas nacionales de carbón de EE. UU. para producir combustibles mediante la licuefacción del carbón tendría ventajas económicas y de seguridad evidentes. Sin embargo, debido a su mayor huella de carbono, los combustibles provenientes de la licuefacción del carbón se enfrentan al importante desafío de reducir las emisiones de GEI durante su ciclo de vida a niveles competitivos, lo que exige una investigación y un desarrollo continuos de la tecnología de licuefacción para aumentar la eficiencia y reducir las emisiones. Será necesario explorar diversas líneas de investigación y desarrollo, entre ellas:

• Captura y almacenamiento de carbono, incluyendo la recuperación mejorada de petróleo y métodos de CCS en desarrollo para compensar las emisiones tanto de la síntesis como de la utilización de combustibles líquidos derivados del carbón,
• Mezclas de materias primas de carbón/biomasa/gas natural para la licuefacción del carbón: la utilización de biomasa neutra en carbono y gas natural rico en hidrógeno como co-alimentaciones en los procesos de licuefacción del carbón tiene un potencial significativo para llevar las emisiones de GEI del ciclo de vida de los productos combustibles a rangos competitivos,
• Hidrógeno procedente de fuentes renovables: la demanda de hidrógeno de los procesos de licuefacción del carbón podría satisfacerse mediante fuentes de energía renovables como la eólica, la solar y la biomasa, reduciendo significativamente las emisiones asociadas a los métodos tradicionales de síntesis de hidrógeno (como el reformado de metano con vapor o la gasificación del carbón).
• Se necesitan mejoras en los procesos, como la intensificación del proceso Fischer-Tropsch, procesos de licuefacción híbridos y tecnologías de separación de aire más eficientes para la producción de oxígeno (por ejemplo, la separación de oxígeno mediante membranas cerámicas).

Desde 2014, el Departamento de Energía de EE. UU. y el Departamento de Defensa han estado colaborando para apoyar nuevas investigaciones y desarrollos en el área de licuefacción de carbón para producir combustibles líquidos con especificaciones militares, con énfasis en el combustible para aviones, que sería rentable y estaría de acuerdo con la Sección 526 de EISA. ^{[ 25 ]} Los proyectos en curso en esta área se describen en el área de I+D de Síntesis de Combustibles Avanzados del Laboratorio Nacional de Tecnología Energética del Departamento de Energía de EE. UU. en el Programa de Carbón y Biomasa de Carbón a Líquidos .

Cada año, un investigador o desarrollador en el campo de la conversión del carbón recibe el premio World Carbon To X Award . El ganador del premio de 2016 fue el Sr. Jona Pillay, director ejecutivo de Gasificación y CTL de Jindal Steel & Power Ltd (India). El ganador del premio de 2017 fue el Dr. Yao Min, subdirector general de Shenhua Ningxia Coal Group (China). ^{[ 26 ]}

En términos de desarrollo comercial, la conversión del carbón está experimentando una fuerte aceleración. ^{[ 27 ]} Geográficamente, la mayoría de los proyectos activos y las operaciones recientemente puestas en marcha se ubican en Asia, principalmente en China, mientras que los proyectos estadounidenses se han retrasado o cancelado debido al desarrollo del gas de esquisto y el petróleo de esquisto.

• Combustible de lodo de carbón y agua
• Biomasa a líquido
• Synthetic Fuels Corporation , antigua corporación estatal estadounidense.
• Programa de combustibles líquidos sintéticos
• Yacimiento no convencional (de petróleo y gas)

• Procesos de licuefacción directa, sitio web oficial de NETL
• Procesos de licuefacción indirecta, sitio web oficial de NETL
• Programa de conversión de carbón y biomasa de carbón a líquidos, sitio web oficial de NETL
• Programa de Investigación del Fondo de Investigación para el Carbón y el Acero. REVISIÓN DE LAS ACTIVIDADES MUNDIALES DE I+D Y DESARROLLO DE CARBÓN PARA LA CONVERSIÓN DE LÍQUIDOS Y LA NECESIDAD DE NUEVAS INICIATIVAS EN EUROPA (2,9 MB), 52 págs., 2009.
• Conversión de carbón a líquidos en el sitio web oficial de World Coal-To-X.