Capítulo II. Antecedentes
2. Impacto ambiental del gas natural vehicular
El gas natural proviene de la degradación de la materia orgánica. En muchos casos va asociado a yacimientos de petróleo, aunque en otras ocasiones se descubre aislado. Como fuente de energía renovable, se encuentra el biometano que es producido a partir de materiales orgánicos en descomposición, como los residuos de vertederos, aguas residuales y el ganado. Sin embargo, la mayor fuente de gas natural, que excede el volumen de las fuentes de carbón orgánico conocido hasta el momento, se encuentra almacenada en forma de hidrato de metano en las profundidades marítimas y en el permafrost. Este combustible es la fuente de energía fósil que ha conocido el mayor avance desde los años 70 y actualmente es el tercero más utilizado del planeta después del petróleo y del carbón. De acuerdo con las previsiones hechas hasta el 2018 reportadas por la Agencia Internacional de Energía (IEA) la utilización de gas natural aumentará su contribución a la energía total en un valor de 2,4 % por año [24].
El principal uso del gas natural es la producción de energía eléctrica para la industria, domicilios particulares y comercios. Sin embargo, desde los años 80, Argentina e Italia comenzaron a utilizarlo como combustible alternativo a la gasolina y el gasóleo. El llamado gas natural vehicular (GNV), hoy en día continúa
consolidándose como la mejor alternativa de combustible del mundo. Actualmente existen en el mundo entero más de 22,4 millones de vehículos convertidos a GNV y la cobertura en estaciones de servicio llega 26.677 sumadas a las más de 4.000 que están en proceso de construcción hasta el momento, según el reporte de Gas Vehicle Report [25]. Este aumento se ve asociado directamente a las ventajas económicas y ecológicas que ofrece este combustible.
El gas natural consiste en una mezcla de gases, en proporciones variables, donde el metano constituye más del 90 %. Otros gases tales como el nitrógeno, el dióxido de carbono e hidrocarburos de más de dos átomos de carbono (C2+) pueden estar presentes. Pero el metano, por ser el de mayor proporción, determina sus propiedades.
Debido a la alta relación hidrógeno/carbono del metano, las emisiones de CO2 y
CO disminuyen en un 15 % y un 35 %, respectivamente, comparado con el resto de los combustibles. El gas natural contiene un bajo contenido de nitrógeno y, como consecuencia, las emisiones de NOx se reducen en un 85 %, respecto del resto de los combustibles. El contenido de azufre es inferior a 10 ppm, por lo que la emisión de SO2
es prácticamente nula. El gas natural se caracteriza por la ausencia de cualquier tipo de impurezas y residuos, lo que descarta cualquier emisión de partículas sólidas, hollines, humos, etc. Los motores de gas natural (que hoy en día son los motores de gasolina adaptados) presentan niveles de emisión sonora y vibraciones inferiores a los producidos en los motores diesel. Todos estos factores contribuyen a mejorar la calidad del aire de las zonas urbanas.
El gas natural tiene varias ventajas económicas sobre todo para el consumidor final. Se logra un 35 % de ahorro en el consumo respecto al gasóleo y un 50 % respecto a la gasolina. El gas natural no contiene cenizas que puedan contaminar el aceite, ni tampoco partículas sólidas que puedan ser abrasivas para las bujías. Todo esto contribuye a realizar cambios de aceites menos frecuentes y que las bujías se mantengan limpias. Además, se prolonga la vida del sistema silenciador y del escape. Es decir, requiere de menor mantenimiento y ofrece una mayor vida útil. La Asociación Española del gas Natural para la movilidad cree que este combustible aumentaría la competitividad de las empresas españolas ya que se abarataría considerablemente los
costos de transporte de mercancía y que además se crearían más de 175.000 puestos de trabajo [26].
Por último, el metano tiene una densidad menor a la del aire lo que implica que en el caso de que existan fugas, el escape y la dilución en la atmósfera es inmediata, evitando concentraciones peligrosas como ocurriría con un combustible líquido. Además, su temperatura de ignición es más elevada que la de los combustibles líquidos, reduciendo notablemente el riesgo de combustión espontánea.
Gas Natural Adsorbido (GNA)
Como se ha descrito previamente, más del 90 % del gas natural está compuesto por metano, por lo que posee una alta relación H/C. Consecuentemente, el gas natural tiene una mayor energía por unidad de masa que el resto de los combustibles (aunque por debajo del H2 que solo tiene H2O como producto). Su gran desventaja radica en que
no puede ser almacenado con las mismas densidades que los combustibles convencionales a temperatura ambiente. El volumen del depósito dentro del automóvil debe ser muy grande y aun así no se logra una autonomía mayor de 200 Km. El GNV se almacena, comúnmente, de forma comprimida (GNC= Gas Natural Comprimido), en unos cilindros de acero inoxidable de 2 ó 3 cm de espesor, bajo una presión de al menos 20 MPa a 25 °C. De esta manera se obtiene un almacenamiento de 230 V/V. Esto quiere decir que se comprime 230 unidades de volumen en condiciones atmosféricas de 1 bar y 25 °C a una unidad de volumen a 20 MPa y 25 °C. Así, la densidad energética (calor de combustión por unidad de volumen) es de 9,7 MJ/l. Este valor puede aumentarse a 23 MJ/l licuando el gas a -162 °C (GNL= gas natural licuado). Aún así, es menor comparado con la gasolina y el gasóleo. La Tabla 1 muestra la densidad energética de la gasolina, el gasóleo y el gas natural licuado y comprimido.
Tabla 1. Densidad energética en MJ/l de algunos combustibles
Combustible Densidad energética
Gasóleo 37,0 Gasolina 32,0
GNL 23,0
Pero el GNC y el GNL poseen ciertas desventajas. En el primer caso, se requieren de tanques pesados y voluminosos; y en el segundo caso, se requiere que el depósito este muy bien aislado y debe ser chequeado y venteado periódicamente para evitar que la presión aumente ya que el gas se va evaporando lentamente (Ver Figura
2).
Figura 2. Equivalencia en volumen de distintos combustibles para igual autonomía. (Fuente
NGVA)
En vista de estos hechos, en los últimos años se está investigando la utilización de sólidos adsorbentes para el almacenamiento de metano (GNA= gas natural adsorbido). El uso de adsorbentes logra disminuir la presión de almacenamiento del gas natural desde 20 MPa a 3,5- 4,0 MPa, sin comprometer la autonomía del vehículo, además de que solo se utilizaría un compresor de una sola etapa. Los tanques, por tanto, podrían fabricarse con materiales menos resistentes y más ligeros que el acero inoxidable, como el aluminio o materiales compuestos carbono-carbono que, además no tienen que ser cilíndricos o esféricos. De esta manera el peso puede reducirse alrededor de un 30 % y, además, se obtendrían formatos del depósito que se adapten a los espacios no aprovechables del vehículo con más facilidad, ya que no es necesaria una gran resistencia estructural.
Para que el GNA sea viable económicamente, Atlanta Gas Light Adsorbent Research group (AGLARG) [27] sugirió en 1994 el valor de 150 V/V como valor mínimo
de volumen de gas suministrado a 3,5 MPa y temperatura ambiente. Este parámetro corresponde a la cantidad de gas por unidad de volumen de depósito que es liberada por el adsorbente, a temperatura ambiente, cuando la presión de almacenamiento se reduce a presión atmosférica. Dependiendo del adsorbente, el suministro puede ser desde un 5 % a un 30 % menor que la capacidad de almacenamiento. Sin embargo, en el año 2012 el departamento de energía de los Estados unidos (DOE) aumentó el objetivo a 263 V/V de metano liberado [28]. Este objetivo es muy exigente y requiere que se sigan investigando los materiales adsorbentes ya existentes para explotar al máximo su potencial. Además, materiales emergentes como los metal-organic
frameworks (MOFs) han demostrado ser viables para estas aplicaciones, aunque aún
poseen algunas particularidades que deben ser mejoradas como la imposibilidad de ser compactados sin pérdida de porosidad [29].
El carbón activado sigue siendo uno de los adsorbentes potencialmente predilectos para el almacenamiento de CH4, ya que, al igual que con el CO2, su textura
porosa puede ser diseñada específicamente como se detallará en la siguiente sección.
Carbones activados como adsorbentes de CH4
Está ampliamente aceptado que el gas natural se adsorbe en los microporos de los materiales adsorbentes. El incremento del potencial de adsorción debido al solapamiento producido por las paredes opuestas de los microporos hace que el metano se adsorba incluso a temperatura ambiente [30]. Como se mencionó anteriormente, el parámetro volumen de gas liberado (suministrado) ha sido definido para poder evaluar un sistema de almacenamiento. En el caso del carbón, hasta un 15 % del volumen almacenado puede quedar retenido en los poros a presiones atmosféricas. Es muy importante considerar que el fenómeno de adsorción de metano es un proceso exotérmico que libera 16 kJ/mol. Esta energía provoca que la temperatura del lecho aumente durante el llenado y, por lo tanto, que la capacidad de adsorción decaiga. Por otra parte, cuando se produce la desorción ocurre el fenómeno contrario, la temperatura disminuye y el metano se queda cada vez más retenido. Las fluctuaciones de temperatura durante la carga/ descarga del gas natural provoca que el suministro del combustible no sea constante. Para evitar este problema y además
lograr la máxima capacidad de almacenamiento, es necesario que el material cumpla con ciertos requisitos:
Debe presentar elevada capacidad de adsorción, así como una buena cinética de adsorción/desorción que asegure el suministro sin fluctuaciones.
La distribución de tamaño de poros debe ser estrecha, especialmente con poros entre 0,8- 1,2 nm que es el espacio que ocupan dos-tres moléculas de metano. De esta manera la densidad del metano adsorbido es la máxima. Sin embargo, la presencia de mesoporos puede ser necesaria para facilitar la difusión de las moléculas de metano en los ciclos de carga/descarga.
Es importante que posea una buena conductividad térmica, de forma que el calor involucrado en el proceso de adsorción/desorción pueda disiparse durante el proceso de carga y descarga. Dado que el gas natural lleva consigo cierto porcentaje de agua, el carbón debe ser hidrófobo para evitar que las moléculas queden retenidas y reduzcan la capacidad del material adsorbente a lo largo de los ciclos de carga/descarga.
El carbón activado debe ser económico, tanto en el material de partida seleccionado (abundante y barato), como en el proceso usado para su preparación (proceso sencillo).
La densidad debe ser lo más elevada posible para lograr altas capacidades de almacenamiento por volumen de recipiente.
Este último punto es crucial a la hora de llevar un material adsorbente a la práctica porque el GNA requiere la máxima capacidad de almacenamiento por unidad de volumen. En un carbón activado se pueden distinguir los siguientes volúmenes: volumen de esqueleto carbonoso, volumen de microporos, volumen de meso y macroporos y el volumen correspondiente al espacio interparticular. Los dos últimos corresponden al volumen no microporoso, y en ellos el metano ocupa el mismo espacio que el que ocuparía si no existiera adsorbente. Por lo tanto, para obtener la máxima capacidad de almacenamiento se debe disminuir el volumen no microporoso y maximizar el volumen de microporos. Una de las maneras de disminuir el volumen no microporoso es compactando la muestra lo que se traduce en un aumento de la
densidad del material. Por ello, a pesar de que la microporosidad y la densidad son inversamente proporcionales, es posible lograr un compromiso entre ambas, como se mostrará en el capítulo IV.