La pirólisis del metano, también conocida como craqueo del metano o hidrógeno turquesa, es la descomposición a alta temperatura del metano en hidrógeno gaseoso y carbono. Compite directamente con el hidrógeno azul, el hidrógeno procedente del reformado de metano con vapor y la captura y secuestro de carbono (CAC), para producir hidrógeno bajo en carbono a partir de gas natural. En la pirólisis del metano, todo el carbono contenido en el metano se captura en forma sólida en lugar de emitirse como dióxido de carbono.
La pirólisis del metano requiere aproximadamente la mitad de energía que el reformado con vapor para producir la misma cantidad de hidrógeno. Por último, el subproducto de carbono sólido puede venderse en el mercado como negro de humo, lo que compensa el coste del hidrógeno producido. En conjunto, estos factores hacen de la pirólisis del metano una opción tecnológica prometedora para producir hidrógeno bajo en carbono.
Existen distintas variantes de pirólisis de metano, que pueden clasificarse en pirólisis térmica, por plasma y catalítica. A pesar de las variaciones, todas ellas comparten retos técnicos comunes; las altas temperaturas de proceso necesarias para conseguir altas tasas de conversión, la pureza del gas hidrógeno y la separación del carbono sólido de la fase gaseosa para evitar el envenenamiento del catalizador (si lo hubiera) y los bloqueos del sistema del reactor.
Para obtener una visión global del panorama tecnológico de la pirólisis del metano y la distribución de los actores, analizamos los principales desarrolladores con actividad histórica de patentes, publicaciones académicas, financiación en fase inicial y proyectos en curso. Esta información sirve para definir las tendencias futuras y ayudar a identificar oportunidades para los innovadores que buscan comprometerse con los actores de la pirólisis del metano.
América y EMEA son los líderes regionales en pirólisis de metano
No es de extrañar, ya que la pirólisis del metano es una plataforma tecnológica compleja y en fase inicial cuyo desarrollo se ve incentivado por el uso del gas natural para obtener hidrógeno bajo en carbono. Esto requiere un fuerte impulso regional a la descarbonización, un apetito por las inversiones de alto riesgo y/o un abundante suministro local de gas natural. Estados Unidos y Rusia son los dos países líderes en este ámbito.
Aunque Japón y Corea del Sur tienen ambiciosos objetivos de descarbonización, y el Sudeste Asiático y Australia cuentan con un abundante suministro de gas natural, ninguna región de APAC ha reunido aún las condiciones adecuadas para fomentar el desarrollo de la pirólisis de metano. Sin embargo, esperamos que China se convierta en un actor clave.
Las empresas emergentes son cada vez más activas en la pirólisis del metano
La pirólisis del metano ha estado dominada en gran medida por las grandes empresas, pero en la última década se han fundado varias startups para desarrollar e implantar tecnologías de pirólisis del metano desarrolladas originalmente en instituciones de investigación. En general, todavía no hay un líder claro en pirólisis de metano: aunque Monolith Materials ha llevado su plataforma a la fase de demostración, el rendimiento de su tecnología no está claro. Por lo demás, tanto las grandes empresas como las empresas emergentes se encuentran en una fase similar de desarrollo tecnológico con sus plataformas.
El espacio académico está activo pero muy fragmentado
El número de instituciones de investigación en el campo de la pirólisis del metano es muy superior al de empresas y empresas emergentes. Sólo dos, la Organización de los Países Bajos para la Investigación Científica Aplicada (TNO) y el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), se distinguen por haber ampliado su tecnología a instalaciones piloto. Otras instituciones activas en la pirólisis del metano aún no han pasado de las unidades experimentales. Varias de estas instituciones tienen su sede en China, y es probable que sus tecnologías sean absorbidas por empresas chinas una vez que estén listas para escalar.
- Plasma: La forma más madura de pirólisis de metano, utiliza un soplete de plasma donde el gas metano se piroliza a temperaturas entre 1.000 °C (plasma frío) y 2.000 °C (plasma caliente). El plasma frío suele dar lugar a una conversión de metano inferior al 50% sin catalizadores, mientras que el plasma caliente suele dar lugar a una conversión superior al 90%. La empresa noruega Kværner (ahora Aker Solutions) puso en marcha en 1997 la primera y única instalación de pirólisis de metano a escala comercial que utilizaba la tecnología de plasma caliente, en la que el hidrógeno producido se recirculaba en la antorcha de plasma. La instalación se clausuró en 2003 debido a la insuficiente calidad del producto de negro de humo. En la actualidad, Monolith Materials es la empresa líder. Utiliza tecnología de plasma caliente basada en el proceso de Kværner y puso en marcha su primera instalación de demostración en EE.UU. en 2020, produciendo negro de humo como producto principal. Gazprom es la única empresa activa en la actualidad en la tecnología de plasma para la pirólisis de metano: su tecnología de plasma frío se apoya en un catalizador de níquel para alcanzar eficiencias de conversión de metano del 80%, pero la tecnología se encuentra todavía a escala de laboratorio.
- Térmica: En la pirólisis térmica, el metano se disocia en hidrógeno y carbono a temperaturas comprendidas entre 1.000 °C y 1.500 °C. La diferenciación gira en torno al tipo de reactor utilizado en el proceso. BASF utiliza un reactor de lecho móvil calentado eléctricamente en el que los gránulos de carbono fluyen en sentido contrario a las fases gaseosas y el metano se piroliza directamente sobre los gránulos a 1.400 °C. KIT hace pasar el metano por un reactor de columna de burbujas de estaño líquido a 1.200 °C, donde el carbono sólido formado flota sobre el líquido y puede separarse por medios no revelados. TNO también utiliza un reactor de metal fundido que funciona a más de 1.000 °C y separa el negro de humo del metal líquido utilizando sal fundida. Actualmente, todas las plataformas tecnológicas de pirólisis térmica se encuentran a escala de laboratorio y es poco probable que alcancen una escala comercial antes de 2030.
- Catalítica: En la pirólisis catalítica, el metano se descompone en hidrógeno y carbono sobre un catalizador metálico, normalmente a base de níquel o hierro, a temperaturas inferiores a 1.000 °C. En la actualidad, Hazer Group es la empresa líder en este ámbito: utiliza un reactor de lecho fluidizado con un catalizador de mineral de hierro que funciona a 850 °C. Actualmente se encuentra a escala piloto, sin objetivos claros de comercialización. C-Zero es la empresa más reciente en el sector de la pirólisis de metano. Aunque su tecnología sigue sin estar clara, parece que la empresa utiliza un proceso catalítico pero también sales fundidas para separar el carbono sólido.
En general, el panorama tecnológico de la pirólisis del metano está fragmentado entre tecnologías, sin apuestas seguras. Aunque Monolith Materials parece estar a punto de alcanzar la escala comercial con su tecnología de plasma, la falta de detalles en torno a su proyecto, así como el escaso historial comercial del proceso Kværner, nos impiden calificar todavía al plasma de claro vencedor en la pirólisis del metano.
BASF y TNO están desarrollando activamente sus plataformas de pirólisis térmica, pero han admitido que es improbable que dispongan de una instalación a escala comercial antes de 2030. En cuanto a las múltiples empresas emergentes activas en este ámbito, sus objetivos de comercialización suelen ser muy ambiciosos y aún no han conseguido los socios o la financiación necesarios para ampliar sus tecnologías.
#LuxTake
Dada la fase inicial de la pirólisis de metano y la variedad de tecnologías disponibles, sigue faltando una evaluación económica del proceso. La literatura académica y las conversaciones mantenidas con los desarrolladores de la tecnología indican que la pirólisis del metano será más cara que el hidrógeno azul. Sin embargo, los defensores de la tecnología se apresuran a señalar que la venta del subproducto de carbono en el mercado lo hará más barato que el hidrógeno azul. No obstante, los innovadores deben ser cautos, ya que tal suposición puede ser muy traicionera.
Actualmente, el mercado mundial de negro de humo se estima en 15 millones de toneladas al año. Si todo este negro de humo se suministrara mediante pirólisis de metano, correspondería a una producción de hidrógeno de 6 millones de toneladas al año. Esto equivale a sólo el 8% del mercado mundial de hidrógeno. Por lo tanto, el despliegue de la pirólisis de metano a escala mundial provocará un colapso del mercado del negro de humo y esencialmente lo dejará sin valor.
Suponiendo que la tecnología se amplíe con éxito y que el negro de humo no se venda en el mercado, la decisión de construir una instalación de pirólisis de metano o una de hidrógeno azul dependerá en gran medida de la manipulación de los subproductos derivados del carbono y de su impacto en los aspectos económicos de la producción de hidrógeno. Para que gane la pirólisis de metano, el coste de manipulación del carbono sólido tendrá que ser más barato que el de comprimir, transportar y secuestrar las emisiones de CO2 de una instalación de hidrógeno azul.
Los interesados deberían seguir de cerca la evolución de la pirólisis de metano, pero sin perder de vista que, aunque se hará con una parte del mercado del hidrógeno bajo en carbono, es poco probable que elimine por completo el hidrógeno azul de la mezcla.