En el esfuerzo con miras a descarbonizar el planeta, la ingeniera química Liane Marcia Rossi, doctora en química y docente del Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (IQ-USP), se dedica a un área científica de punta: la captura de dióxido de carbono (CO₂) y su empleo como materia prima para la elaboración de combustibles y productos químicos. La remoción del CO₂ directamente de la atmósfera o de fuentes emisoras resultantes de la actividad humana constituye uno de los caminos con miras a combatir el calentamiento global.
La base de los nuevos descubrimientos en esta área proviene de un campo de investigación antiguo: la catálisis. La transformación de la molécula de CO₂ en productos de valor económico agregado constituye un reto que puede vencerse mediante el empleo de catalizadores y la concreción de ajustes en las condiciones de la reacción. Rossi y sus colaboradores del IQ-USP desarrollaron un nuevo proceso para la conversión de CO₂ en metanol basado en un catalizador fabricado con óxidos de titanio y renio. Dicho combustible podrá ayudar en la transición energética en sectores difíciles de electrificar como el transporte marítimo.
El estudio, realizado en el ámbito del Centro de Investigaciones para la Innovación en Gases de Efecto Invernadero (RCGI), financiado por la FAPESP y Shell, derivó en la creación de una startup. “Su objetivo es desarrollar esta tecnología hasta que llegue a su madurez comercial”, informa Rossi, quien es la directora del Programa de Captura y Utilización de Carbono del RCGI.
Por sus trabajos en el área de la química verde y la catálisis, la científica fue galardonada con la Cátedra Rey Carl XVI Gustaf en ciencias ambientales, concedida por un fondo presidido por el monarca sueco. Rossi es la 28ª titular de la cátedra, que por primera vez laureó a un investigador de América Latina. Y accedió a la siguiente entrevista a través de una aplicación de videoconferencias.
¿Cómo puede ayudar a combatir el calentamiento global la captura del carbono de la atmósfera?
Existen dos formas de hacerlo. Un camino es su captura directamente del aire. Es una tecnología cara, porque el CO₂ que se emite se encuentra en una concentración muy baja, lo que dificulta su captura, pero es suficiente como para provocar el calentamiento global, que se encuentra en el origen de los cambios climáticos. Otro camino, que parece más prometedor, es la captura de carbono en la fuente generadora o emisora [lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 340]. En lugar de dejarlo ir hacia la atmósfera y diluirse en los gases que la componen, se captura este gas en su fuente, cuando la concentración de dióxido de carbono es mayor. En ambos casos, ha de invertirse en su almacenamiento o en su utilización.
¿Cuáles son esas fuentes generadoras?
Los procesos industriales, especialmente la fabricación de cemento o de acero, la generación de energía, como la quema de combustibles fósiles en las centrales termoeléctricas, y la explotación de petróleo, entre otras. En Brasil, también existe la emisión de carbono en la fabricación de etanol durante el proceso de fermentación del azúcar y en la quema del bagazo de la caña para la cogeneración de energía. El carbono liberado en la fermentación del azúcar es de alta calidad y podría utilizárselo directamente en procesos de conversión en otros productos. En tanto, la reutilización del carbono capturado en las centrales termoeléctricas y en otras industrias demanda procesos de purificación costosos.
¿Dónde puede almacenarse el carbono capturado?
La tecnología de almacenamiento más conocida es la que se concreta directamente en los pozos de petróleo para la recuperación avanzada del crudo. Se inyecta el CO₂ en las reservas, lo que incrementa la eficiencia de la producción, y el mismo queda almacenado. Pero Brasil cuenta con una buena capacidad como para almacenar en reservas rocosas. Existe en el país una gran coincidencia entre a ubicación de las centrales de etanol y las formaciones geológicas del subsuelo apropiadas para el almacenamiento. No obstante, en el almacenamiento no se genera valor para el carbono; solamente se evita que permanezca o que se vaya hacia la atmósfera.
¿La opción sería hacer uso del CO₂ capturado?
Así es. Existen varias posibilidades, que comienzan con los usos más sencillos y directos, al cabo de una sola una etapa de purificación, en la industria de bebidas y alimentos. Otra posibilidad es utilizar el CO₂ como fuente de carbono en procesos químicos que alteran su estructura molecular y derivan en distintos productos químicos. Esto comprende ajustes precisos de las condiciones de reacción, tales como la presencia de otros reactivos, la temperatura y la presión, aparte del uso de catalizadores, sustancias que promueven la reacción entre dos o más reactivos, pero que no participan en el producto final. El gran reto reside en encontrar la fórmula de un catalizador que oriente hacia una determinada reacción, es decir, que al final de ésta fundamentalmente genere un determinado producto. En general se obtienen mezclas de productos.
Sería fantástico sintetizar etanol partiendo del dióxido de carbono que se genera en las centrales de azúcar y alcohol
¿Qué productos pueden generarse con base en la transformación del CO₂?
Uno de los caminos para transformar el CO₂ en productos químicos transcurre a través de la reacción de éste con el gas hidrógeno [H₂], mediante el empleo de catalizadores que concretan reacciones de hidrogenación. Podemos efectuar su conversión en tres productos principales: monóxido de carbono [CO], metano [CH₂] y metanol [CH₂OH]. Estos productos están constituidos tan solo por un átomo de carbono. En este proceso, no se forman uniones entre átomos de carbono: lo que cambia son los átomos vecinos a ellos. El monóxido de carbono no es un producto terminado, sino un intermediario químico. En la industria química se lo emplea fundamentalmente combinado con H₂, para formar el denominado gas de síntesis. Se lo utiliza en la producción de metanol, de hidrocarburos, de parafinas [sustancias constituyentes de la gasolina] y de olefinas [un grupo de hidrocarburos empleados en la elaboración de polímeros]. Este proceso de conversión del gas de síntesis en parafinas y olefinas se conoce hace 100 años, pero aún no es económicamente atractivo. En tanto, la producción de metanol con base en gas de síntesis y mezclas de éste con CO₂ es un proceso que se utiliza ampliamente. Hoy en día, el gas de síntesis se produce principalmente partiendo de fuentes fósiles, del carbón y del gas natural. Y aquí surge una pregunta que sigue abierta: ¿es factible emplear el CO₂ como fuente de carbono renovable para la producción de metanol? Su factibilidad depende de factores tales como el costo y la disponibilidad de H₂ verde, de energía limpia, la eficiencia del proceso y los catalizadores. En la conversión directa de CO₂ en otros productos, como el metanol, la necesidad de uso del H₂ se erige como el mayor problema.
¿Por qué?
A causa del costo energético y del impacto ambiental de la producción de hidrógeno. Lo ideal es que se use hidrógeno verde, obtenido a partir de la electrólisis del agua mediante el empleo de fuentes renovables de energía. Pero aún es mucho más caro que el hidrógeno convencional, generado a partir del gas natural, que provoca emisiones de CO₂ en el ambiente [lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 333].
¿En qué estadio se encuentra la transformación de CO₂ en metanol?
Estamos investigando la conversión directa del CO₂ en metanol sin aislar necesariamente primero el monóxido de carbono. Investigamos también la producción de alcoholes superiores, que poseen dos o más átomos de carbonos en su estructura, como el etanol [C₂H₂O]. En el caso del metanol, tuvimos una tesis doctoral exitosa, la de la química Maitê Lippel Gothe, dirigida por el profesor Pedro Miguel Vidinha Gomes, del IQ-USP. También depositamos una patente relacionada con un nuevo catalizador que transforma CO₂ en metanol en forma bastante selectiva. Hace dos años, creamos una startup, Carbonic, para desarrollar esta tecnología hasta que alcance su madurez comercial.
¿Qué significa la selectividad de un catalizador?
Significa que al aplicárselo en la reacción de transformación del CO₂, ese catalizador maximiza la formación de un solo producto: en este caso, la proporción de metanol es superior al 90 %. En esa conversión, el metano es el producto minoritario y hay trazas de CO. Esto es esperable, pues en estos procesos catalíticos existen diversas reacciones que transcurren simultáneamente.
¿Cuáles son las aplicaciones del metanol?
La producción global de metanol es de alrededor de 100 millones de toneladas anuales. Es un producto químico que se emplea como solvente o como reactivo tanto en industrias tradicionales como en sectores de energía limpia. Se lo utiliza en la producción de biodiésel, formaldehído y ácido acético, como así también en la producción de olefinas, aromáticos e incluso de gasolina, mediante procesos catalíticos específicos. Dependiendo de la legislación de cada país, puede usárselo como aditivo de la gasolina o en su forma pura. En Brasil, mezclamos etanol en la gasolina, pero en otras naciones eso se hace con metanol. Según el origen de las materias primas y de la energía utilizada, el metanol se clasifica en colores. Cuando se lo elabora partiendo de fuentes fósiles como el carbón y el gas natural, se lo clasifica como gris, pues durante su producción hay emisión de dióxido de carbono. Pero, si durante la producción se implementa algún proceso de captura de ese CO₂, pasa a denominárselo azul. En tanto, el metanol verde se genera a partir de biomasa, residuos orgánicos o CO₂ capturado en algún otro proceso con uso de energía limpia. En estas tres rutas se emplea hidrógeno. Más allá de la fuente del carbono, lo que cambia es el uso de hidrógeno verde: éste también es un requisito para la producción del metanol verde. Para que el metanol sea neutro o incluso negativo en carbono, lo ideal es el uso de CO₂ biogénico o capturado directamente del aire.
Por ende, el metanol verde puede ser útil para la transición energética.
Así es. Ha sido objeto de una mayor atención en sectores difíciles de electrificar, como el del transporte marítimo. Una de las grandes apuestas consiste en adaptar motores que actualmente emplean fueloil, de origen fósil, para funcionar con metanol y de este modo acelerar la transición de los combustibles fósiles a los sostenibles de bajo carbono. El hecho de ser un producto biodegradable, líquido y que es posible transportarlo en condiciones atmosféricas normales también resulta ventajoso. No es necesario presurizar o enfriar el metanol para su almacenamiento y transporte, como sucede con otros potenciales combustibles del futuro, como el amoníaco y el hidrógeno. Esto vuelve al metanol fácil de transportar, almacenar y abastecer empleando la infraestructura y los procedimientos de seguridad establecidos. Es un combustible de una quema más limpia y no produce hollín. El metanol gris disminuye un 15 % las emisiones de carbono y el metanol verde puede alcanzar una reducción de un 95 %. En caso de que el sector marítimo se interese por el metanol, tendremos un mercado grande. La proyección de consumo es cinco veces mayor que la actual producción de metanol. Y el sector marítimo no quiere el metanol gris sino el verde.
¿El catalizador que su grupo diseñó es una innovación mundial?
Elegimos un metal, el renio, poco utilizado en procesos catalíticos industriales. Ya sabíamos que se lo empleaba en la reducción de ácidos carboxílicos, que poseen una estructura similar a la del dióxido de carbono. Por eso decidimos poner a prueba el óxido de renio junto con otros óxidos que sirven como soporte. La historia de la síntesis del metanol partiendo de fuentes fósiles data de 1923. Los primeros catalizadores, a base de óxido de cromo, se utilizaron industrialmente durante alrededor de 40 años. En la década de 1960, se desarrollaron otros catalizadores, a base de cobre, zinc y alúmina. Se los denomina CZA, y siguen siendo los más empleados en la producción de metanol. Con todo, el nuevo reto consiste en producir metanol partiendo del CO₂ y ya no del carbón o del gas natural. Diversos grupos de investigación se han volcado hacia los propios CZA, adaptándolos para la conversión directa del dióxido de carbono en metanol. Pero estos catalizadores aún plantean problemas en cuanto a la estabilidad y a la selectividad. Los nuevos catalizadores son deseables y harán su aporte para incrementar la factibilidad de este proceso.
Jonas BorgLa investigadora y el rey Carl XVI Gustaf durante un evento realizado en el Palacio Real suecoJonas Borg
¿Qué hay que superar?
La conversión de CO₂ en metanol es una tecnología con gran potencial, pero afronta retos técnicos, económicos y de escala. Es necesario efectuar un ajuste de las condiciones de reacción para elevar la actividad, la selectividad y la durabilidad del catalizador. La reacción funciona de este modo: cuanto mayor es la temperatura de la reacción, mayor es la conversión del CO₂. Pero a medida que se eleva la temperatura del proceso, merma la producción de metanol y aumenta la de metano o monóxido de carbono. Un punto clave reside en hallar un catalizador activo, que promueva la conversión a la temperatura más baja posible. En nuestro sistema, la condición óptima para que la reacción ocurra es con 200 grados Celsius [°C]. Si la elevamos a 250 ºC o 300 ºC, la selectividad para metanol disminuye y pasamos a producir otros gases. Sabemos que el catalizador comercial CZA, en condiciones usuales [de 220 °C a 300 °C de temperatura y 5 a 10 megapascales de presión], posee una selectividad para el metanol que se sitúa entre 40 % y un 60 %, según lo que aparece reportado en la literatura.
¿En qué etapa se encuentra el trabajo de Carbonic?
La startup, de la cual formo parte, se fundó en 2022 para desarrollar soluciones destinadas al combate contra los cambios climáticos. A corto plazo, apuntamos a madurar la tecnología de conversión de CO₂ en metanol verde. Hemos logrado buenos resultados en el laboratorio, pero el futuro de esta tecnología depende de un proceso de escalación exitoso. La idea es poder emplear el CO₂ biogénico de las centrales de etanol. Es un proceso largo. Normalmente, para salir de la escala de laboratorio y llegar al nivel de demostración se tarda alrededor de 10 años.
¿Su grupo también investiga la conversión de dióxido de carbono en etanol?
Dos alumnos de doctorado llevan adelante estudios en esa línea. Sería fantástico sintetizar etanol y otros alcoholes superiores partiendo del CO₂ que se genera en las centrales. Estaríamos cerrando el ciclo, al utilizar el CO₂ emitido en la producción de etanol para generar más etanol. Para arribar a un catalizador capaz de formar etanol en lugar de metanol se requiere una fórmula más compleja, ya que es necesario formar nuevas uniones carbono-carbono en forma controlada y manteniendo la formación de oxigenados. Tuvimos éxito en el desarrollo de catalizadores a base de hierro y cobre con excelente actividad, pero la selectividad para etanol aún es baja, de menos del 5 %. En el futuro, pretendemos explorar otras rutas de conversión de CO₂ en etanol.
¿El premio que recibió en Suecia está relacionado con sus estudios referentes a los nuevos catalizadores y a la conversión de CO₂ en productos ambientalmente sostenibles?
De alguna manera, sí. Trabajo desde hace mucho tiempo con química verde, una filosofía aplicada en todas las áreas de la química cuyos objetivos consisten en reducir la generación de residuos, minimizar o eliminar el uso y la generación de sustancias peligrosas y utilizar recursos renovables, entre otros. Yo me interesé por este tema a comienzos de mi carrera, en la década de 2000. La catálisis, que también es uno de los principios de la química verde, pues se vale de reactivos más amigables para realizar transformaciones químicas, ya estaba presente en mis estudios en la década de 1990.
¿Cómo se concretó su nominación a la Cátedra Rey Carl XVI Gustaf en ciencias ambientales?
Mi nombre lo sugirió en 2022 la profesora Belén Martín-Matute, de la Universidad de Estocolmo. Yo la conocí virtualmente en 2020 cuando me invitaron a dictar un seminario para un consorcio de universidades nórdicas enfocado en el tema de las emisiones de carbono. Las universidades suecas efectúan sus nominaciones para esa cátedra, creada en 1996 con el objetivo de celebrar los 50 años del rey sueco, y anualmente seleccionan a uno o dos científicos extranjeros. El premiado debe concretar una estancia como profesor visitante durante un año en Suecia, realizando actividades relacionadas con las ciencias ambientales, en colaboración con investigadores locales. En mi caso es un tanto distinto. Ya fui tres veces a Suecia para pasar estadías de hasta tres meses y pedí una extensión de la cátedra durante otros 12 meses. Estoy dando charlas en varias universidades, realizando visitas a grupos de investigación y colaborando con colegas de la Universidad de Estocolmo.
¿Qué hace allí?
Tenemos un proyecto en el área de conversión de CO₂ en metanol con una estrategia distinta. La idea es hacer la conversión en condiciones más blandas aplicando una combinación de captura de CO₂, la catálisis heterogénea, mi especialidad, y la catálisis homogénea, aquella en la que el catalizador se encuentra soluble en la misma fase [líquida] que los reactivos. Pretendemos diseñar un proceso más sostenible en términos de consumo de energía, temperatura y lo que sea necesario para sortear los problemas de la producción de metanol verde y otros productos de valor económico agregado.
¿Ya ha mantenido alguna interacción con el rey Carl XVI Gustaf?
Me encontré con el monarca en dos ocasiones. En la primera, en un evento para invitados en el Palacio Real, brindé una charla sobre los retos que afronta Brasil para establecer una economía de bajo carbono. Mostré que el país tiene por delante un camino muy prometedor hacia la transición energética. La consolidación del etanol como combustible y de la tecnología de los motores flex pueden marcar la diferencia. En la segunda, el rey participó en un simposio en homenaje a la cátedra que ocupo. El foco fue mi investigación en catálisis y la conversión de CO₂ en productos sostenibles. Si bien el rey no es un experto en química sostenible, noté su genuino interés con relación al área de las ciencias, especialmente las ambientales. Empecé mi charla refiriéndome al momento sumamente crítico que Brasil vivía entonces [septiembre de 2024], cuando los focos de incendios se propagaban por distintas regiones del país, generando más CO₂ en la atmósfera, con el consiguiente agravamiento climático. Enaltecí el aporte de Svante Arrhenius, químico sueco que en 1896 calculó la relación entre la concentración de CO₂ atmosférico y la temperatura de la superficie de la Tierra. Hace más de 100 años, Arrhenius arribó a la conclusión de que las emisiones antropogénicas de CO₂ resultantes de la quema de combustibles fósiles podrían ser lo suficientemente grandes como para afectar el clima en la Tierra mediante el agravamiento del efecto invernadero.
Este artículo salió publicado con el título “Una científica amiga del rey” en la edición impresa n° 347 de enero de 2025.
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