La start-up estadounidense H Quest dice que su tecnología de pirólisis de plasma por microondas libre de emisiones convertirá el metano en H2 y carbón sólido de alto valor o productos petroquímicos; solo con estos «coproductos» los proyectos serán rentables, escribe Leigh Collins.
Un estadounidense puesta en marcha asegura que ha desarrollado un proceso libre de emisiones que hará de hidrógeno a partir de gas natural a un precio tan bajo que podría revelar el H 2 de forma gratuita.
Esto se debe a que la tecnología también producirá productos químicos y productos basados en carbono de alto valor al mismo tiempo que el hidrógeno, y los ingresos de venderlos serían suficientes para hacer que cualquier proyecto sea rentable.
La tecnología de pirólisis de plasma por microondas desarrollada por H Quest, con sede en Pittsburgh, utiliza electricidad para generar microondas que mueven el metano (CH 4 ) a un estado de plasma, eliminando los átomos de hidrógeno e iniciando una reacción en cadena que crea carbono sólido o compuestos petroquímicos como el acetileno (C 2 H 2 ) y etileno (C 2 H 4 ).
«Gracias al alto valor del coproducto de carbono, con los precios actuales del gas natural y la electricidad, H Quest podría esencialmente regalar el hidrógeno y aún así obtener ganancias», dice el director ejecutivo George Skoptsov a Recharge .
El gas natural se utiliza para producir la mayor parte del hidrógeno se utiliza actualmente en todo el mundo hoy en día en los sectores de productos químicos fertilizantes, refino de petróleo y, pero el metano con vapor proceso utilizado de reformado produce nueve a 12 toneladas de CO 2 por tonelada de H 2 . Esto se debe a que las moléculas de carbono se combinan con el oxígeno en el aire, pero eliminan el aire de la ecuación y el metano se dividirá en hidrógeno y carbono sólido.
Calefacción de gas natural en la ausencia de aire, principalmente en el interior llamados hornos de pirólisis, durante mucho tiempo ha sido discutido, con cualquier H 2 producido de esta manera ser etiquetado como “hidrógeno turquesa”.
Pero los hornos de pirólisis todavía están en su infancia y actualmente son muy caros, con las altas temperaturas necesarias, que requieren quemar una fracción del hidrógeno producido, lo que no hace que los costos sean bajos. En consecuencia, todavía no hay plantas comerciales de hidrógeno de color turquesa en funcionamiento.
Por el contrario, las microondas de H de Quest requieren cuatro veces menos electricidad que requieren para el proceso de la electrólisis verde-hidrógeno que las moléculas de agua se divide en H 2 y el oxígeno, la compañía dice.
Pero la tecnología de la puesta en marcha tiene más ventajas sobre los hornos de pirólisis: es capaz de producir formas de carbono diferentes y de mayor valor, incluidos los nanotubos súper fuertes y el grafeno, así como los productos petroquímicos utilizados en la industria pesada que normalmente se derivan de fósiles sin cesar. combustibles.
“Es muy difícil hacer un producto de carbono de alto valor, razón por la cual mucha gente [que investiga el hidrógeno turquesa] dirá, ‘bueno, hay tanto carbono], es de baja calidad, con una estructura pobre e impurezas, nosotros’ Lo enterraremos debajo de nuestras plantas ”, dice Skoptsov. «Y nuestro carbono es fundamentalmente diferente y eso es lo que nos hace diferentes, lo que hace que este proceso sea diferente».
Hay muchas formas – o alótropos – de carbono puro que difieren según la disposición de los átomos, incluidos los diamantes; negro de carbón, que se utiliza en la producción de neumáticos, tintas para impresoras y plásticos reforzados y baterías; grafito, usado en lápices; láminas de grafeno de un átomo de espesor ; y nanotubos de carbono , el material más resistente descubierto hasta ahora.
Según la información vista por Recharge , el grafito de baja calidad cuesta alrededor de $ 5 / kg, el grafeno cuesta aproximadamente $ 175 por kilo, mientras que los nanotubos de carbono pueden alcanzar hasta $ 2,300 / kg.
Pero Skoptsov dice que la «ventaja real» de la tecnología de la empresa «tiene que ver con la complejidad del proceso de pirólisis, que la mayoría de la gente no reconoce».
“Después de activar el metano, no comienza simplemente a perder [átomos] de hidrógeno, dejando carbono. Lo que hace es que comienza a combinarse consigo mismo y, a través de ese proceso, pierde hidrógeno. Entonces comienza a producir químicos, compuestos químicos más complejos, que de alguna manera se siguen ensamblando en estructuras cada vez más grandes.
«Si eres muy hábil, puedes tomar ese proceso para [producir incluso] grafeno, en realidad lo que está haciendo es formar una gran hoja de grafeno».
“Pero también se puede congelar en la etapa química antes de que se convierta en carbono. Así que reduce su producción de hidrógeno, pero luego puede producir etileno, por ejemplo «.
El etileno (C 2 H 4 ), el ingrediente clave del plástico de polietileno, es el compuesto orgánico más producido en el mundo y se deriva principalmente del calentamiento de gas natural o petróleo, procesos que se dice que representan aproximadamente el 0,8% de las emisiones globales de gases de efecto invernadero.
«Realmente nos vemos como una empresa que no solo fabrica hidrógeno o una empresa que fabrica negro de humo». Dice Skoptsov, un ex ingeniero en robótica que fundó H Quest en 2014. “Nos vemos como una especie de proveedor de sostenibilidad a mayor escala”.
“Estamos fabricando un producto que ya existe, es difícil de descarbonizar, se fabrica de manera convencional con muchas emisiones de CO 2 y lo estamos haciendo fundamentalmente con cero emisiones de CO 2 . Y tenemos una corriente de hidrógeno que puede alimentarse directamente para descarbonizar los procesos existentes, como fuente de energía o como materia prima química ”.
¿Por qué nadie ha hecho esto antes?
Con tanto enfoque en el hidrógeno limpio en todo el mundo en este momento, y las compañías de petróleo y gas que trabajan con hidrógeno azul, donde no todas las emisiones de CO 2 pueden capturarse y almacenarse, ¿por qué nadie más ha pensado en usar microondas de esta manera?
“El problema es que en realidad es muy difícil calentar algo con microondas”, dice Skoptsov. “El agua es excelente en el horno de microondas, pero el hielo no calienta en absoluto en el microondas. Si su cena de televisión está medio congelada, esa mitad se mantendrá fría y la otra mitad estará muy caliente. Y especialmente los materiales industriales: químicos, aceite, orgánicos, son imposibles de calentar de manera efectiva en el microondas.
“No hemos inventado el proceso de creación de plasma de microondas. Pero lo que hemos hecho es desarrollar una forma de que sea industrialmente relevante «.
Los hornos de microondas en los hogares de las personas funcionan mediante el uso de un tubo de electrones llamado magnetrón para producir microondas, una forma de radiación electromagnética con longitudes de onda cortas y frecuencias extremadamente altas de hasta 100 GHz (100 mil millones de oscilaciones o vibraciones por segundo). Estas microondas hacen que las moléculas de agua de los alimentos vibren a gran velocidad, lo que hace que se calienten.
Es el mismo mecanismo básico en el proceso H Quest. Un magnetrón dispara microondas a 2,4 GHz al metano, lo que hace que los pocos electrones libres naturales dentro del gas vibren rápidamente, lo que hace que colisionen con otros electrones que luego son liberados por esa colisión, lo que provoca una reacción en cadena que eventualmente libera mucho más. de los electrones.
“El plasma es básicamente un gas al que se le han quitado algunos de los electrones de su molécula”, dice Skoptsov.
“Un problema con el plasma es que estos electrones cargados querrán viajar más cerca de la fuente de radiación electromagnética. Por lo tanto, debe confinarlos, de lo contrario, llegarán hasta su magnetrón, lo que realmente crea este campo electromagnético que rebota, y lo cortocircuitarán. Entonces, lo que la gente ha hecho es ponerlo en un tubo de cuarzo; el cuarzo es transparente a las microondas y contendrá los gases.
“Pero los tubos de cuarzo son un problema porque, en primer lugar, no escalan muy bien. Son frágiles. Pero lo más importante, cuando se trata de gases de hidrocarburos, ese carbono tiende a adherirse a las paredes [del tubo de cuarzo]; básicamente, obstruye todo con carbono, que comienza a calentarse y su tubo de cuarzo se destruye y su experimento es sobre.
“Pero hemos podido separar la generación de microondas de la reacción real de una manera que no involucra tubos de cuarzo en absoluto.
«De hecho, podemos completar ese proceso en nuestro reactor».
Skoptsov no quiere revelar cómo H Quest logra esto, describiendo el proceso como “nuestra salsa secreta que nos distingue de otras personas”.
Explica que las microondas no se han utilizado ampliamente en la industria pesada porque “no se pueden escalar arbitrariamente, hay un límite en la cantidad de energía que puede producir un solo magnetrón”.
Entonces, en lugar de construir máquinas cada vez más grandes para proyectos comerciales, que podrían construirse en cualquier lugar que tenga acceso a electricidad y gas natural, H Quest fabricará unidades de producción a pequeña escala, pero construirá múltiples de ellas, de acuerdo con el tamaño del proyecto.
«Tenemos que escalar por replicación, lo que tiene ventajas intrínsecas», explica Skoptsov. «Si su proceso es rentable a esa pequeña escala, el escalado por replicación le permite implementarlo y llegar al mercado muy rápidamente».
Primeros proyectos comerciales en tres años
H Quest debe completar un proyecto piloto en los próximos 18 meses que será capaz de producir 250 kg de hidrógeno turquesa y 750 kg de negro de humo por día.
Un primer proyecto comercial, cuya construcción se prevé que cueste entre 3 y 5 millones de dólares, estará en funcionamiento en tres años o menos, con una producción diaria de una tonelada de hidrógeno y tres toneladas de negro de humo especial.
Los costos de funcionamiento dependen del precio de la electricidad verde y el gas natural, pero «estamos buscando algo así como un retorno del capital del 40% por año de este primer proyecto comercial», dice Skoptsov.
H Quest se centrará inicialmente en el negro de humo para sus primeras plantas porque es bastante simple de producir y almacenar a pequeña escala, y el etileno se produce en plantas de seguimiento más grandes, ya que el químico tiende a comprarse y venderse en grandes volúmenes.
La compañía estadounidense ha sido financiada en gran parte hasta ahora por subvenciones de investigación y es propiedad de Skoptsov, empleados y asesores clave y un puñado de inversores iniciales, pero necesitará inversiones adicionales para ayudar a financiar los proyectos comerciales iniciales y piloto.
Plan de negocios
Entonces, ¿H Quest va a construir sus propias plantas y vender el hidrógeno y el carbono, o licenciar la tecnología a terceros?
“Buscamos asociarnos estrechamente con la industria existente; lo que queremos venderles es el medio para lograr sus objetivos de sostenibilidad y descarbonización”, explica Skoptsov. “Cómo se verá la asociación, eso es realmente para que lo solucionemos. Si lo usaran como parte de su planta [existente], tendrían que obtener una licencia, pero también comprar nuestro equipo que está hecho con nuestra salsa secreta «
La mayor parte del equipo está listo para usar, pero el reactor en sí, el lugar donde ocurre la magia, debe ser construido específicamente por los fabricantes.
“Hay varios mercados que podemos abordar y creo que la estrategia dependería de cada mercado”.
Los límites del proceso H Quest
Sería fácil suponer que el proceso de H Quest de producir hidrógeno libre de CO 2 a partir de gas natural podría revolucionar el sector de H 2 de rápido crecimiento , que eliminaría cualquier necesidad de producir hidrógeno azul y permitiría que se desarrollara rápidamente una economía del hidrógeno. pero la tecnología tiene dos pequeños inconvenientes.
Una es que el metano es un poderoso gas de efecto invernadero que a menudo se filtra aguas arriba ( ver el panel a continuación ), y la otra es que existe un límite para el tamaño del mercado de H Quest, incluso si es potencialmente grande. Por ejemplo, el mercado de negro de humo, al que la empresa quiere apuntar primero, requiere 14 millones de toneladas de material cada año.
“Lo que nos limita es el mercado del coproducto de carbono”, dice Skoptsov. “Estamos produciendo tres veces más productos de carbono [en peso] que productos de hidrógeno. Así que tenemos que equilibrarlos. Ese es el problema fundamental que tenemos que resolver, pero ya estamos trabajando en nuevos casos de uso para nuestros materiales «.