Explicación del reformado del gas natural: Un método clave para la producción de hidrógeno

¿Qué es el reformado del gas natural y por qué es importante?

El reformado industrial de metano con vapor es uno de los métodos más antiguos y utilizados para la producción de hidrógeno puro y es un componente crítico del suministro energético mundial. De estas técnicas, el reformado de metano con vapor (SMR) es la más popular por su alta eficiencia y la disponibilidad de la infraestructura necesaria. Este proceso es especialmente importante porque el hidrógeno gaseoso es uno de los componentes más importantes de la transición hacia sistemas energéticos más limpios, ya que tiene un gran potencial para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.

El hidrógeno reformado con gas natural se utiliza en diferentes industrias y aplicaciones, como se indica a continuación. Es un combustible estratégico para el funcionamiento de las pilas de combustible que se utilizan en los coches eléctricos y otras aplicaciones de energías renovables. Además de la energía, el hidrógeno se utiliza en la fabricación de amoníaco para fertilizantes, metanol para productos químicos e incluso combustible para aviones y reactores. La capacidad de generar hidrógeno a escala industrial garantiza su posición como factor clave del cambio mundial hacia la energía sostenible.

Sin embargo, este proceso no está exento de dificultades. Aunque es barato y de uso común, depende de combustibles fósiles como el metano, lo que conlleva una elevada huella de carbono. Para contrarrestarlo, se necesitan tecnologías de captura y almacenamiento de carbono (CAC) que reduzcan sus efectos sobre el medio ambiente. Además, el reformado del gas natural produce hidrógeno y dióxido de carbono, y el hidrógeno producido debe purificarse más para su uso comercial. El principal reto que hay que afrontar para seguir desarrollando esta tecnología es la capacidad de lograr el equilibrio adecuado entre la eficiencia del proceso, la escalabilidad y la sostenibilidad.

¿Cómo funciona? La ciencia del reformado del gas natural

El reformado del gas natural es un proceso fundamental para producir hidrógeno, que se utiliza en industrias como la química, la energética y las pilas de combustible. El proceso consta de tres etapas principales: pretratamiento del gas bruto, reacción de reformado y purificación del gas de síntesis. Por tanto, es pertinente analizar cada una de las etapas de la siguiente manera.

Fase 1: Pretratamiento del gas bruto

El gas natural bruto es en gran parte metano, pero contiene entre 0,1 y 2% de impurezas como compuestos de azufre, vapor de agua y otros hidrocarburos pesados. Cuando los catalizadores los ingieren, los envenenan y contaminan, lo que repercute negativamente en el proceso posterior, por lo que es necesario un proceso inicial de pretratamiento que garantice la fluidez del proceso y no acorte la vida útil del catalizador.

La eliminación de los compuestos que contienen azufre es una de las actividades más críticas en esta etapa. Las impurezas como el sulfuro de hidrógeno (H₂S) son adsorbidas por sustancias como el óxido de zinc (ZnO), que reacciona con el azufre para dar sulfuro de zinc sólido (ZnS). Este proceso reduce eficazmente el contenido de azufre por debajo de 0,1 ppm para proteger los sensibles catalizadores de reformado.

El secado es igualmente importante, ya que la humedad dificulta las reacciones de reformado, así como los pasos de purificación posteriores. De todos los agentes secantes, se prefieren los tamices moleculares (4A, 5A, 13X) por su alta selectividad, estabilidad térmica y capacidad para eliminar la humedad hasta niveles muy bajos. Funcionan mejor que otros materiales como la alúmina activada, que es más adecuada para aplicaciones de baja humedad o alta temperatura, y el gel de sílice, que se utiliza como desecante de segunda capa. Se prefieren los tamices moleculares porque tienen una vida útil más larga y son más eficaces en la eliminación de agua, por lo que proporcionan una alimentación de metano muy seca.

Por último, se eliminan los hidrocarburos de alto peso molecular para evitar la coquización de los catalizadores y hacer que el proceso posterior sea más fiable y duradero. Al final de esta etapa, el gas natural es un flujo de metano purificado listo para la reacción de reformado.

Etapa 2: Reacción reformadora

Ahora, el metano purificado se convierte en gas de síntesis, que es una combinación de hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono. Este paso tiene lugar a una temperatura elevada, normalmente entre 800 y 1.000 °C, y utiliza un catalizador a base de níquel para promover las reacciones.

El reformado de metano mediante vapor (SMR) es el proceso de reformado más utilizado en la industria. El gas de síntesis se produce a partir del metano mediante la conversión del vapor utilizando un catalizador. Esta reacción es muy eficiente y produce una conversión de metano superior a 95%.

Existen otros tipos de procesos de reformado, como el autoreformado térmico (ATR), que pueden emplearse en lugar (o además) del SMR. El ATR integra la oxidación parcial con el reformado con vapor y genera calor dentro del proceso, reduciendo así la demanda externa de energía. Este método es preferible en aplicaciones en las que los créditos de carbono y el ahorro de energía son de vital importancia.

La etapa de reformado también contiene la reacción de cambio agua-gas (WGS). Se trata de una reacción secundaria por la que el monóxido de carbono reacciona con el agua y forma más hidrógeno y dióxido de carbono. La reacción WGS optimiza el rendimiento de hidrógeno a la vez que disminuye el contenido de monóxido de carbono en el gas de síntesis para facilitar la purificación en una etapa posterior.

Etapa 3: Purificación del gas de síntesis

El paso final del reformado del gas natural es la purificación del gas de síntesis hasta el nivel de hidrógeno ultrapuro, con un nivel de pureza a menudo superior al 99,99 %. Esto significa que se eliminan especies no deseadas como el dióxido de carbono, el monóxido de carbono, el metano, el agua y otras, ya que pueden afectar a usos posteriores.

El procedimiento comienza con la optimización del cambio agua-gas, mediante la cual el monóxido de carbono residual en el gas de síntesis reacciona con el vapor para generar hidrógeno y dióxido de carbono adicionales. Este paso, además de mejorar el rendimiento de hidrógeno, también sirve para reducir los niveles de monóxido de carbono y facilitar su eliminación.

A continuación, la eliminación del dióxido de carbono se realiza mediante absorción química con aminas o mediante adsorción por cambio de presión (PSA). La depuración con aminas hace reaccionar el CO₂ con disolventes químicos, mientras que la PSA utiliza materiales adsorbentes como las zeolitas para adsorber selectivamente el CO₂ y recuperar más de 85% del hidrógeno.

A continuación, la metanización elimina el monóxido de carbono residual convirtiéndolo en metano y agua mediante hidrógeno. Este paso garantiza que el nivel de CO se reduzca a menos de 10 ppm, lo que hace que el flujo de hidrógeno sea seguro para aplicaciones sensibles como las pilas de combustible.

La mayoría de la gente pasa por alto el secado en la purificación, pero lo cierto es que incluso las trazas de humedad pueden dañar los equipos. Los tamices moleculares (5A, 13X) son los desecantes más utilizados por su gran capacidad de adsorción de agua, estabilidad térmica y larga vida útil. Las aplicaciones de baja humedad o alta temperatura requieren otros materiales, como la alúmina activada, mientras que el gel de sílice se utiliza como desecante de reserva. No obstante, los tamices moleculares son más deseables por su eficacia a la hora de proporcionar puntos de rocío extremadamente bajos y, por tanto, la calidad y estabilidad del flujo de hidrógeno.

Por último, pero no por ello menos importante, queda una función como la destilación criogénica o la tecnología de membranas para eliminar la pérdida de impurezas. En las instalaciones que emplean la tecnología CCS, el CO₂ se captura y almacena tras comprimirse el movimiento, lo que minimiza las emisiones hasta en 90%.

El reformado del gas natural es un proceso de producción de hidrógeno ligeramente complicado pero muy eficaz. En el proceso de regeneración del catalizador, cada paso junto con el pretratamiento y las etapas posteriores al reformado y la purificación son fundamentales para obtener altos rendimientos, proteger los equipos y lograr la pureza del producto. Las reacciones preventativas, como las reacciones de WGS y de metanación, ayudan a mejorar la eficiencia y a minimizar los contaminantes. De las tecnologías críticas, los tamices moleculares siguen siendo el agente de secado más popular, especialmente en aplicaciones de alta temperatura, baja humedad y adsorción de precisión. Esto se debe especialmente a una serie de ventajas sobre otros intercambiadores de calor que incluyen una estabilidad de rendimiento superior, así como niveles de humedad ultrabajos, todos ellos vitales si se quiere garantizar el proceso de reformado. Con los avances en el reformado autotérmico y la captura de carbono, esta tecnología sigue siendo relevante y continúa desarrollándose con la ayuda de nuevos avances en el reformado autotérmico y la captura de carbono.

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¿Por qué se estudia esta vía?

La técnica más popular y eficaz para la producción de hidrógeno es el reformado del gas natural por su eficacia, flexibilidad e integración con las instalaciones existentes. En comparación con otros métodos, como la división termoquímica del agua o la electrólisis, es mucho más barato, por lo que resulta adecuado para usos de hidrógeno a corto y medio plazo.

Hoy en día, la mayor parte del hidrógeno se produce por reformado de gas natural porque éste es barato y fácil de conseguir, sobre todo en Estados Unidos. Los nuevos avances en captura y almacenamiento de carbono (CAC) han mejorado el proceso al reducir sus efectos sobre el medio ambiente. El reformado del gas natural puede generar hidrógeno bajo en carbono, también conocido como "hidrógeno azul", al atrapar las emisiones de CO₂, apoyando así los esfuerzos globales de descarbonización.

Este método también es muy flexible y puede utilizarse tanto para aplicaciones a media escala como para la producción de hidrógeno a gran escala. Su versatilidad le permite satisfacer las necesidades de diversas industrias, como el transporte (pilas de combustible y vehículos eléctricos) y procesos industriales como la síntesis de amoníaco y metanol. Aunque las fuentes renovables, como la energía solar y la eólica, están creciendo rápidamente, no son lo bastante estables como para sustituir por completo al hidrógeno basado en combustibles fósiles. Por ello, el reformado del gas natural desempeña un importante papel como combustible de transición, lo que supone un paso hacia una energía más limpia y sostenible.

¿Cuáles son las repercusiones medioambientales y los retos del reformado del gas natural?

Sin embargo, el reformado del gas natural no está exento de problemas, y éstos son principalmente medioambientales. El proceso también produce una cantidad significativa de emisiones de CO₂, que existen principalmente en el uso del metano, un combustible fósil. Estas emisiones, si no se capturan y almacenan, contribuyen directamente al cambio climático, lo que es contraproducente para la función del hidrógeno como vector de energía limpia.

El proceso también consume mucha energía, ya que necesita mucho calor para alimentar el reformado de metano con vapor (SMR) a temperaturas elevadas. Esta energía suele producirse quemando más combustibles fósiles, lo que significa que el proceso de producción de hidrógeno -un combustible respetuoso con el medio ambiente- se basa en procesos intensivos en carbono.

Sin embargo, durante el reformado se producen pequeñas cantidades de monóxido de carbono (CO), que es peligroso para los trabajadores y requiere medidas medioambientales estrictas. Aplicar el proceso a menor escala añade ineficiencias adicionales y problemas económicos, ya que la tecnología es más eficaz a gran escala.

Para superar estos problemas, se están preparando mejoras en los reactores SMR y de desplazamiento de gas de agua. Las posibilidades de mejorar la eficiencia de los sistemas de recuperación de calor y las condiciones de la reacción podrían ser los factores clave. Además, es crucial aumentar el uso de tecnologías CAC para capturar las emisiones de CO₂ necesarias para producir "hidrógeno azul". Estas tecnologías son importantes porque ayudan a reducir el coste medioambiental relativo del reformado del gas natural.

¿Qué futuro le espera al reformado del gas natural?

El futuro del reformado de gas natural depende del desarrollo tecnológico y de las tendencias hacia la descarbonización en todo el mundo. A medida que aumente el consumo de hidrógeno en mercados estratégicos como los vehículos eléctricos y las energías renovables, el reformado de gas natural seguirá siendo el principal método de producción en un futuro próximo. Sin embargo, su sostenibilidad a largo plazo sigue siendo cuestionable y depende del aprovechamiento de las tecnologías de captura de carbono y del cambio hacia otras más limpias.

Se espera que el hidrógeno renovable generado por la electrólisis del agua impulsada por energía solar o eólica cambie significativamente la estructura actual de la producción y comercialización del hidrógeno. Esto se debe a que se espera que el coste de las tecnologías renovables se reduzca en el futuro y, por lo tanto, el uso del reformado de gas natural puede reducirse. También es posible encontrar una simbiosis entre los insumos de energía renovable y los sistemas de reformado como posible solución intermedia para la producción masiva de hidrógeno.

Las medidas para hacer más eficientes los procesos, reducir el carbono y buscar la recuperación del calor seguirán siendo valoradas en el sector industrial. Además, los incentivos gubernamentales y el desarrollo de infraestructuras para el hidrógeno determinarán las perspectivas futuras de esta tecnología, sobre todo en Estados Unidos y distintos países de Europa.

Aunque las cuestiones medioambientales siguen siendo un problema, la reformación del gas natural seguirá formando parte del proceso de producción de hidrógeno como puente entre la actual infraestructura de combustibles fósiles y una futura economía del hidrógeno.