Convertir el CO₂ en combustibles: los químicos resuelven un problema clave de escalabilidad
El Centro Técnico LIKAT produce por primera vez catalizador a escala de kilogramos para una planta piloto
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Los químicos del Centro Técnico LIKAT de Rostock han logrado, por primera vez, producir un nuevo catalizador a escala piloto. Los primeros diez kilogramos de la sustancia ya se han entregado a los socios de investigación de Hamburgo y Viena. El catalizador, desarrollado en LIKAT en el marco de un proyecto de colaboración anterior, tiene como objetivo producir combustibles neutros en CO₂ en Viena y demostrar su idoneidad práctica para plantas de mayor tamaño. Se trata de la pieza clave de una versión moderna de la síntesis de Fischer-Tropsch (FTS), desarrollada hace cien años por dos químicos alemanes para licuar carbón y gas natural. En lugar de materias primas fósiles, esta nueva variante de la FTS licúa ahora el CO₂, un gas de efecto invernadero.
El Dr. Christoph Wulf y el Dr. Simon Haida (de izquierda a derecha) muestran una muestra del material sintetizado
Rachow, LIKAT
La nueva versión de este catalizador Fischer-Tropsch se ha desarrollado en el Instituto Leibniz de Catálisis. El proceso convierte el dióxido de carbono (CO₂), junto con hidrógeno (H₂) producido de forma sostenible, en combustibles sintéticos respetuosos con el clima. Estos combustibles pueden alimentar motores de combustión interna convencionales y, a diferencia de la gasolina o el diésel, no contienen ningún compuesto de azufre ni de nitrógeno. «La investigación tiene como objetivo una movilidad sostenible y neutra en CO₂, lo que también constituye un eje central de la agenda nacional de alta tecnología», afirma el Dr. Christoph Wulf, jefe de grupo en el Centro Técnico de Transferencia LIKAT.
Sucesor de InnoSyn
Al igual que el proceso clásico, el método moderno se lleva a cabo en los denominados reactores de columna de burbujas, pero en condiciones de reacción mucho más suaves. En largos tubos verticales, todas las sustancias implicadas se desplazan a través de un líquido viscoso desde la parte inferior hacia la superior: por un lado, las «burbujas», es decir, las materias primas gaseosas CO₂, H₂ y, posteriormente, monóxido de carbono (CO). Por otro lado, están todos los productos intermedios y finales líquidos, así como el catalizador en forma de finas perlas a base de óxido de hierro.
Este catalizador se desarrolló en el marco del proyecto del consorcio InnoSyn, financiado con fondos federales —un componente de la iniciativa «República del Hidrógeno de Alemania»— junto con un modelo de IA para el CO₂-FTS, bajo la dirección del químico del LIKAT, el Dr. David Linke (véase también https://idw-online.de/de/news851343). Los socios del Instituto Engler-Bunte del Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT) demostraron la viabilidad de este proceso en un sistema de reactor multifásico a escala de gramos. En un proyecto de seguimiento, «Green Fuel and Chemicals», ahora se va a preparar el proceso para su aplicación industrial. Esto incluye una demostración a escala de kilogramos en una planta piloto en las instalaciones de Viena de Bioenergy and Sustainable Technologies GmbH (BEST). Allí, a principios de 2027 se convertirán varios kilogramos de CO₂ en combustibles y productos químicos sostenibles.
Formulación de catalizadores para la ampliación de escala
Cuando los nuevos catalizadores salen del laboratorio de investigación, suelen funcionar en cantidades de tan solo unos pocos miligramos. Para la ampliación de escala —como la denominan los químicos— a escalas de varios kilogramos y volúmenes de solución de hasta 100 litros, el catalizador requiere una formulación diferente. El objetivo de la nueva colaboración de investigación era encontrar el enfoque adecuado. El Dr. Christoph Wulf y el Dr. Simon Haida asumieron esta tarea en el Centro Técnico de Transferencia LIKAT.
Tal y como explican ambos químicos, esto también implicó desarrollar una tecnología de producción práctica para el catalizador. El catalizador para la nueva síntesis de Fischer-Tropsch se forma a partir de sales metálicas en una reacción de precipitación, produciendo una «torta» de óxido de hierro de color rojo óxido —una especie de pasta que posteriormente se seca por pulverización y se trata térmicamente—. El resultado son partículas con una forma esférica prácticamente perfecta. Las perlas varían en tamaño y, por lo tanto, deben fraccionarse, es decir, clasificarse por tamaño.
El tamaño de las partículas determina su función
«La clave del asunto es que el comportamiento de un catalizador no se puede predecir a gran escala», afirma Simon Haida. Agitar y mezclar a fondo una solución de 100 mililitros puede parecer sencillo. «A una escala de 50 litros, el proceso concreto —en concreto, la filtración que separa el producto bruto de la solución de reacción— supone un reto». Esto requiere experimentos sistemáticos en los que se aumenten gradualmente los volúmenes de reacción.
Este trabajo se llevó a cabo en estrecha colaboración con el químico de LIKAT, el Dr. Aleksandr Fedorov, quien había desarrollado originalmente el catalizador. Con cada nuevo paso, reajustaba el catalizador y comprobaba su rendimiento. A continuación, los químicos tenían que planificar el equipamiento para el siguiente paso.
De este modo, pasaron de un lote de unos pocos mililitros a 50 litros, volumen que puede utilizarse para abastecer a plantas piloto. Una de las conclusiones de los experimentos es que el tamaño de las partículas influye significativamente en el rendimiento del catalizador. Dr. Wulf: «Las perlas de óxido de hierro no deben ser demasiado grandes para que puedan seguir flotando —por así decirlo— en el reactor de columna de burbujas posterior. Sin embargo, si son demasiado pequeñas, se aglomeran y obstruyen el filtro a la salida del reactor o incluso acaban en el producto y lo contaminan».
La planta piloto permite la ampliación de escala
LIKAT es una de las primeras instituciones científicas de Alemania capaz de producir nuevos catalizadores para su investigación a escala piloto. Aunque otros institutos cuentan con plantas piloto para probar catalizadores, Christoph Wulf señala: «Pero carecen del equipamiento necesario para producir las sustancias de ensayo a la escala requerida». En LIKAT, la instalación técnica Catalysis2Scale cuenta ahora con una completa dotación de instrumentos y equipos gracias a proyectos financiados con subvenciones y colaboraciones de investigación. Con los primeros diez kilogramos de su catalizador de óxido de hierro para la nueva síntesis de Fischer-Tropsch, el Dr. Wulf y el Dr. Haida pretenden ahora llamar la atención de posibles socios de investigación sobre esta oportunidad.
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