Catálisis para energía limpia y química sostenible por J. L .G.ª Fierro

20 TRIBUNA
BOLETÍN FUNDACIÓN BBVA N.º 16 - I/2009
J. L .G.ª Fierro, J. M. Campos, M. López Granados, M. A. Peña, S. Rojas y P. Terreros
Departamento de Estructura y Reactividad del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica, CSIC (Madrid)
Catálisis para energía limpia y química
sostenible
N
uestro planeta es un entorno prácticamente cerrado, con recursos naturales limitados e incapaz de soportar
durante largo tiempo un consumo que crece
de forma exponencial. El uso racional de estos
recursos que proporcione a los ciudadanos lo
necesario para subsistir y progresar sin comprometer la capacidad de las generaciones
futuras es el objetivo del desarrollo sostenible.
Hasta ahora la energía, el agua y los alimentos
se han considerado casi ilimitados y su acceso
solamente dependería de la capacidad tecnológica para extraerlos y utilizarlos. Además, el
uso indiscriminado de los combustibles fósiles
en los países industrializados ha traído consigo
el deterioro progresivo del entorno natural.
El concepto de desarrollo sostenible y energía
limpia ha calado profundamente en todos los
estratos de nuestra sociedad. Numerosos estudios reconocen que es necesario desarrollar
nuevas tecnologías que permitan afrontar los
retos a los que se enfrenta la sociedad actual,
y especialmente en el área de química sostenible y energía limpia. Es en este punto donde
la catálisis desempeña un papel primordial, en
cuanto que permite alcanzar estos objetivos en
un entorno de desarrollo sostenible. Los nuevos procesos energéticos y químicos deben
apoyarse en la catálisis, puesto que el empleo
de catalizadores altamente selectivos minimiza
las necesidades energéticas y ayuda a reducir,
o incluso eliminar, el impacto medioambiental
de los subproductos obtenidos. Por otra parte,
los recientes avances científico-técnicos han
mostrado que las tecnologías catalíticas pueden dar lugar a nuevos procesos para la obtención de energía limpia y nuevas rutas químicas
que permitirán que la industria química sea
sostenible.
Conscientes de la relevancia que tiene este
concepto para el desarrollo armónico de nuestro planeta, hemos organizado el Simposio
Internacional Catalysis for Clean Energy and
Sustainable Chemistry, con asistencia de expertos nacionales e internacionales en la distintas
áreas. En este foro se han debatido los avances recientes, se han planteado estrategias y se
han perfilado opciones de futuro que ofrecen
las nuevas tecnologías en varias direcciones: la
producción de combustibles alternativos a los
convencionales de origen fósil, principalmente
hidrógeno; la utilización de la materia vegetal
(celulósica) como materia prima renovable en
los procesos de fabricación de biocombustibles y productos químicos; y la generación de
electricidad mediante celdas de combustible.
Evidentemente, la tecnología catalítica es el
sustrato que subyace en todas ellas.
En cuanto a los combustibles alternativos, el
hidrógeno se considera la energía más atrac-
tiva para un futuro próximo debido a que su
combustión no es contaminante. El hidrógeno
cuando se combina con el oxígeno del aire
libera la energía química almacenada generando solamente vapor de agua. Además,
puede almacenarse como gas a presión, como
líquido en tanques, o distribuirse mediante
gasoductos, por lo que se intuye que puede
reemplazar al gas natural a medio-largo plazo.
La tecnología convencional de producción de
hidrógeno utiliza el gas natural como materia
prima. Si bien esta tecnología es la más económica, y por ello está implantada en la industria, tiene como desventaja la emisión de grandes cantidades de dióxido de carbono durante
el proceso de producción. Obviamente, las
mayores oportunidades de producción de
hidrógeno las ofrecen los precursores no fósiles, es decir, fotocatálisis, ciclos de reducción
y oxidación con óxidos metálicos y biomasa,
donde se esperan los mayores cambios. El
atractivo del hidrógeno es aún mayor cuando
se utiliza como combustible en las celdas de
combustible. En estos dispositivos se convierte la energía química almacenada en la
molécula H2 en energía eléctrica, mediante
un proceso que no está sometido al ciclo de
Carnot. Por esta razón, la eficiencia energética
resulta entre dos y tres veces superior a la de
un motor térmico. Teniendo en cuenta esta
particularidad, la transformación de distintos
precursores de origen fósil y, aún mejor, la utilización de energías renovables en la producción de H2 que pueda convertirse después en
electricidad mediante las celdas de combustible ofrece una ventaja notable.
El funcionamiento de las pilas de combustible
es similar en todos los casos. El combustible,
idealmente el hidrógeno, se alimenta en un
electrodo donde se oxida generando electrones e iones (protones en el caso del hidrógeno). Los electrones se conducen hacia el
cátodo por un circuito eléctrico, generando
así una corriente eléctrica que se puede utilizar para producir un trabajo. En el cátodo,
estos se combinan con los protones –que viajan a través de un electrolito– y con oxígeno,
generando agua. Así, en una celda de combustible de membrana polimérica en la que
se alimente hidrógeno y oxígeno, se obtendrá
una corriente eléctrica y agua como el único
subproducto. Cabe señalar el hecho de que es
posible obtener energía a partir del hidrógeno
mediante otros dispositivos, pero los más
eficientes y limpios para este proceso son las
celdas de combustible. Aunque la tecnología
de las celdas de combustible aplicada a sectores tales como dispositivos portátiles y automoción se encuentra aún en fase de investigación y/o prototipo, la empresa Honda ha
anunciado recientemente la comercialización
de un vehículo, el FCX Clarity, alimentado
por hidrógeno y propulsado por una celda de
combustible de membrana polimérica.
En la actualidad, cuando las reservas probadas
de petróleo empiezan a declinar, y cuando la
demanda energética de las economías emergentes crece progresivamente, es imperativo
desarrollar procesos económicos y eficientes
en términos energéticos capaces de producir
combustibles y productos químicos por vías
sostenibles. A este respecto, la biomasa es la
única fuente sostenible. Los biocombustibles
producen menor cantidad de emisiones de
gases de efecto invernadero (GEI) que los combustibles fósiles.
En el documento The Roadmap for Biomass
Technologies, elaborado por una comisión de
veintiséis expertos procedentes de la industria, el mundo académico y distintas agencias
gubernamentales, se ha establecido que para
2030 un 20% de los combustibles de transporte
y un 25% de los productos químicos utilizados
en la industria procederán de la biomasa. La
percepción actual es que los biocombustibles
no podrán sustituir totalmente a los combustibles fósiles, pero sí complementarlos en forma
de diferentes mezclas con el fin de reducir la
dependencia respecto del petróleo, a diferencia
de otras alternativas que son excluyentes (por
ejemplo, los gases licuados del petróleo) y necesitan cierta duplicación del sistema motor. En
el mismo sentido, los biocombustibles pueden
utilizar la misma red logística de distribución
que los combustibles fósiles. Además, uno de
los principales impulsos del actual desarrollo
de los biocombustibles está relacionado con
sus características medioambientales y, en especial, con el hecho de que son la medida de
mayor efecto, si no la única, para disminuir las
emisiones del sector del transporte y reducir su
incidencia sobre el cambio climático. Por ello,
muchas compañías del sector de la energía,
incluyendo las tradicionales del petróleo y químicas, han empezado a desarrollar tecnologías
e infraestructuras para producir biocombustible y productos químicos derivados de los residuos vegetales. Estas direcciones de avance
y conocimiento se en­globan bajo un mismo
epígrafe de biorrefinería. Los biocarburantes
líquidos, como únicos sustitutos directos del
petróleo en el transporte, tienen una elevada
prioridad política bien justificada. Además, el
crecimiento constante en el sector del transporte no ha permitido aún la estabilización de
las emisiones de gases de efecto invernadero
(GEI), a pesar de los considerables esfuerzos
realizados por la industria. Los biocombustibles son una forma cara de reducir las emisiones GEI, pero dentro del transporte son una de
las dos únicas medidas que tienen posibilidades razonables de lograrlo en un grado significativo en el futuro inmediato.