15.8: Energía conveniente

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Objetivo de aprendizaje

Describir la gasificación y licuefacción del carbón y el interés en su conversión.

Los recursos de petróleo y gas natural son limitados. Estimaciones actuales sugieren que las reservas conocidas de petróleo se agotarán en unos 60 años, y se estima que los suministros de gas natural se agotarán en unos 120 años. El carbón, por otro lado, es relativamente abundante, constituyendo más del 90% de las reservas mundiales de combustibles fósiles. Como sólido, el carbón es mucho más difícil de extraer y enviar que el petróleo (un líquido) o el gas natural.

Gasificación y Licuefacción de Carbón

Gran parte de la investigación actual se centra en desarrollar métodos para convertir el carbón en combustibles gaseosos (gasificación de carbón) o combustibles líquidos (licuefacción de carbón). En el enfoque más común a la gasificación del carbón, el carbón reacciona con vapor para producir una mezcla de CO y H ₂ conocida como gas de síntesis, o gas de síntesis: Debido a que el carbón es 70% — 90% de carbono en masa, se aproxima como C en la Ecuación\(\ref{15.8.1}\).

\[\mathrm{C_{(s)} +H_2O_{(g)} → CO_{(g)}+H_{2(g)}} \;\;\; ΔH= \mathrm{131\: kJ} \label{15.8.1} \]

La conversión de carbón en gas de síntesis elimina cualquier azufre presente y produce una mezcla de gases de combustión limpia.

El gas de síntesis también se utiliza como reactivo para producir metano y metanol. Un enfoque prometedor es convertir el carbón directamente en metano a través de una serie de reacciones:

\ (\ mathrm {2C (s) +2H_2O (g) →\ cancel {2CO (g)} +\ cancel {2H_2 (g)}}\ hspace {20px} ΔH_1=\ mathrm {262\: kJ}\\
\ mathrm {\ cancel {CO (g)} +\ cancel {H_2O (g)} →CO_2 (g) +\ cancel {H_2 (g)}}\ hspace {20px} ΔH_2=\ mathrm {−41\: kJ}\\
\ mathrm {\ cancel {CO (g)} +\ cancel {3H_2 (g)} →CH_4 (g) +\ cancel {H_2O (g)}}\ hspace {20px} ΔH_3=\ mathrm {−206\: kJ}\\
\ overline {\ mathrm {Overal l:\hspace {10px} 2C (s) +2H_2O (g) →CH_4 (g) +CO_2 (g)}\ hspace {20px} ΔH_\ ce {peine} =\ mathrm {15\: kJ}}\ hspace {40px}\ etiqueta {15.8.2}\)

Quemar una pequeña cantidad de carbón o metano proporciona la energía consumida por estas reacciones. Desafortunadamente, el metano producido por este proceso es actualmente significativamente más caro que el gas natural. Sin embargo, a medida que se agotan los suministros de gas natural, este proceso a base de carbón puede llegar a ser competitivo en cuanto a costos.

De igual manera, las técnicas disponibles para convertir el carbón en combustibles líquidos aún no son económicamente competitivas con la producción de combustibles líquidos a partir del petróleo. Los enfoques actuales para la licuefacción del carbón utilizan un catalizador para romper la compleja estructura de red del carbón en fragmentos más manejables. Luego, los productos se tratan con hidrógeno (de gas de síntesis u otras fuentes) a alta presión para producir un líquido más parecido al petróleo. La destilación posterior, el craqueo y el reformado se pueden utilizar para crear productos similares a los obtenidos del petróleo. El rendimiento total de combustibles líquidos es de aproximadamente 5.5 bbl de líquido crudo por tonelada de carbón (1 bbl es 42 gal o 160 L). Si bien la economía de la licuefacción del carbón es actualmente incluso menos atractiva que para la gasificación del carbón, es probable que los combustibles líquidos a base de carbón se vuelvan económicamente competitivos a medida que se consumen suministros de petróleo.

Resumen

Existe un gran interés en desarrollar métodos para convertir el carbón en combustibles gaseosos (gasificación de carbón) o combustibles líquidos (licuefacción de carbón) ya que es más conveniente extraer y transportar gas y combustibles líquidos.
La conversión de carbón en gas de síntesis (gas de síntesis) elimina cualquier azufre presente y produce una mezcla de gases de combustión limpia.

Colaboradores y Atribuciones

Libretext: General Chemistry (Petrucci et al.)
Marisa Alviar-Agnew (Sacramento City College)