Tecnología de Gas a Líquido: Avances e impacto en el aprovechamiento de reservas de gas natural

Introducción

El desarrollo de tecnologías para la conversión de gas natural a combustibles líquidos ha cobrado relevancia en los últimos años debido a la necesidad de diversificar las fuentes energéticas y optimizar el aprovechamiento de las reservas de gas. La tecnología Gas-to-Liquid (GTL) se ha consolidado como una solución que permite transformar de gas a liquido de alta calidad, empleando procesos avanzados. Este artículo explora los principios de la tecnología GTL, los avances recientes en catalizadores, los cambios de estado de la materia involucrados, los esquemas de proceso y el impacto ambiental y económico de esta tecnología.

¿Qué es el gas natural?

Es una mezcla de hidrocarburos gaseosos que se encuentra en depósitos subterráneos, ya sea de manera independiente o asociado con yacimientos de petróleo. Es una de las fuentes de energía más utilizadas a nivel mundial debido a su alto poder calorífico y menor impacto ambiental en comparación con otros combustibles fósiles.

Componentes principales del gas natural

• Metano (CH₄) [80-95%]: Es el componente predominante del gas natural y responsable de la mayor parte de su poder calorífico, presentando una combustión limpia con menores emisiones de CO₂ y contaminantes.
• Etano (C₂H₆) [1-10%]: Se encuentra en menor proporción. Puede ser separado y utilizado como materia prima en la industria petroquímica para la producción de etileno.
• Propano (C₃H₈) y Butano (C₄H₁₀) [1-5%]: Hidrocarburos más pesados que pueden ser separados y comercializados como Gas Licuado de Petróleo (GLP). Utilizados en calefacción, cocina y en procesos industriales.
• Dióxido de carbono (CO₂) y nitrógeno (N₂) [0-5%]: Son componentes no combustibles que pueden reducir el poder calorífico del gas natural. El CO₂ es removido para mejorar la calidad del gas.
• Sulfuros (trazas-5%): Principalmente Sulfuro de Hidrógeno (H₂S).

Fundamentos de la tecnología Gas-to-Liquid (GTL)

El proceso GTL se basa en la transformación del gas natural en combustibles líquidos mediante una serie de reacciones químicas que incluyen:

• Producción de Syngas: El gas natural se convierte en gas de síntesis (syngas), compuesto por monóxido de carbono e hidrógeno (carbón, coque, biomasa) a través de procesos como el reformado con vapor y la oxidación parcial.
• Síntesis de Fischer-Tropsch: Se utiliza un catalizador como hierro (Fe), cobalto (Co) o rutenio (Ru) para recombinar las moléculas de syngas y formar hidrocarburos líquidos de cadena larga.
• Refinación y acabado: Los hidrocarburos obtenidos se refinan sometiéndolos a procesos de hidrocracking, destilación fraccionada, isomerización y reformado catalítico, para eliminar impurezas y ajustar sus propiedades físico-químicas, produciendo diésel, queroseno y nafta.

Captación y tratamiento del gas natural

Este producto es extraído de reservas y tratado para eliminar impurezas como agua, azufre y compuestos pesados para su posterior uso en procesos como: 

• Conversión en energía mecánica (turbinas de gas): El gas tratado se quema en turbinas de gas de alta eficiencia para producir energía mecánica.
• Generación de electricidad: La energía mecánica de las turbinas se convierte en electricidad a través de generadores.
• Recuperación de calor y ciclo combinado (opcional): En sistemas de ciclo combinado, el calor residual de la combustión se reutiliza para generar vapor, que impulsa turbinas de vapor adicionales, mejorando la eficiencia.
• Distribución y uso final: La electricidad generada se transmite a redes eléctricas o se utiliza localmente en operaciones industriales y comerciales.

Innovaciones recientes en el proceso GTL

Los avances tecnológicos han permitido el desarrollo de procesos más eficientes y sostenibles dentro de la industria GTL. Algunas innovaciones incluyen:

• Desarrollo de catalizadores mejorados: Tradicionalmente, se han utilizado catalizadores a base de hierro y cobalto. Sin embrago los avances recientes se centran en mejorar su actividad y selectividad, reduciendo costos y aumentando la vida útil del proceso. Investigaciones actuales exploran el uso de nanopartículas y estructuras mesoporosas que mejoran la eficiencia de la síntesis de Fischer-Tropsch.
• Optimización del reformado de gas: Se han desarrollado tecnologías híbridas que combinan reformado autotérmico y oxidación parcial, reduciendo el consumo de energía y mejorando la producción de syngas con una mejor relación H₂/CO.
• Integración con energías renovables: Algunas plantas GTL están explorando la incorporación de hidrógeno verde obtenido mediante electrólisis con energía renovable, lo que permite reducir la huella de carbono del proceso.

Estas innovaciones han hecho que el GTL sea una alternativa cada vez más viable en el contexto de la transición energética global.

Cambios de estado de la materia en el proceso GTL

Este proceso implica las siguientes transformaciones físicas y químicas:

• Gas a líquido: El gas natural, compuesto principalmente por hidrocarburos ligeros, se somete a un proceso de conversión en el que sus moléculas se reorganizan mediante reacciones químicas catalíticas. Durante este proceso, el gas se combina con otros elementos en condiciones controladas de temperatura y presión, generando compuestos líquidos como diésel sintético, queroseno y otros combustibles de alto valor.
• Liberación de energía: La síntesis de Fischer-Tropsch es exotérmica, lo que significa que libera calor durante la formación de hidrocarburos. Este proceso es un conjunto de reacciones en las que los hidrocarburos gaseosos se convierten en cadenas más largas de hidrocarburos líquidos. Esta transformación libera una cantidad significativa de calor, que puede ser recuperado y reutilizado dentro de la misma planta para optimizar la eficiencia energética.
• Condensación y separación: Los productos se enfrían para facilitar la separación de los diferentes compuestos. Una vez formados los hidrocarburos líquidos, se enfrían progresivamente para inducir la condensación, permitiendo que los diferentes compuestos se separen según sus puntos de ebullición. Este paso es esencial para obtener productos específicos, como combustibles sintéticos, ceras y otros derivados. La separación se realiza en torres de destilación y otros equipos especializados para garantizar la pureza y calidad del producto final.

En conjunto, estos procesos permiten transformar el gas natural en combustibles líquidos más fáciles de transportar y utilizar en diversas aplicaciones industriales y comerciales

Diagramas del proceso GTL

Un esquema típico del proceso GTL involucra:

• Entrada de gas natural: Se introduce el gas en la planta.
• Reformado a Syngas: Conversión del gas en monóxido de carbono e hidrógeno.
• Reacción de Fischer-Tropsch: Transformación del syngas en hidrocarburos líquidos.
• Refinación y almacenamiento: Purificación y almacenamiento de productos finales.

Impacto en el aprovechamiento de reservas de gas natural

La tecnología GTL permite monetizar reservas de gas natural en regiones remotas, facilitando su transporte y comercialización en forma de combustibles líquidos. Además, reduce la quema de gas en antorchas, disminuyendo la emisión de gases de efecto invernadero y optimizando la utilización de recursos energéticos.

Plantas destacadas

Qatar es líder en tecnología GTL con plantas como:

• Pearl GTL: Es una planta ubicada en La ciudad industrial de Ras Laffan de Qatar. Operada por Shell y Qatar Petroleum, con una capacidad para procesar 140.000 barriles diarios, siendo la planta de GTL más grande del mundo.
• Oryx GTL: Es una planta ubicada en la Ciudad Industrial de Ras Laffan, Qatar.  Desarrollada por Sasol Middle East and India (SMEI) y Qatar Petroleum, con una producción de 34.000 barriles diarios. Este proyecto fue pionero al ser la primera planta comercial a gran escala en utilizar la tecnología de Fischer-Tropsch de baja temperatura fuera de Sudáfrica. 

Estas instalaciones ejemplifican el potencial de la tecnología GTL para transformar recursos de gas natural en productos valiosos, contribuyendo significativamente a la economía y al sector energético de Qatar.

Comparativa de emisiones entre combustibles GTL y tradicionales

Los combustibles derivados del proceso GTL ofrecen ventajas ambientales notables en comparación con los combustibles fósiles convencionales, gracias a su composición más limpia y su proceso de producción avanzado. A continuación, se detallan los principales beneficios:

• Menor contenido de azufre y compuestos aromáticos: Los combustibles GTL prácticamente eliminan el azufre y reducen la presencia de hidrocarburos aromáticos, lo que disminuye significativamente la emisión de contaminantes atmosféricos y mejora la calidad del aire.
• Reducción de óxidos de nitrógeno (NOₓ) y partículas: Gracias a su composición más homogénea y su mayor índice de cetano, los combustibles GTL generan menos óxidos de nitrógeno y partículas finas en comparación con el diésel convencional, contribuyendo a mitigar el smog urbano y los problemas respiratorios asociados.
• Mejor eficiencia en la combustión: Su estructura molecular optimizada permite una combustión más completa y eficiente, reduciendo la formación de residuos y mejorando el desempeño energético, lo que se traduce en una menor huella ambiental.

En conjunto, estas características hacen que los combustibles GTL sean una alternativa más limpia y sostenible que las tradicionales para diversas aplicaciones, incluyendo el transporte y la generación de energía.

¿Qué ventajas ofrece la tecnología GTL en comparación con la licuefacción de gas natural (LNG)?

La tecnología GTL convierte el gas a líquidos sin necesidad de infraestructura criogénica, facilitando el transporte y almacenamiento. Además, los combustibles GTL son más limpios en términos de emisiones contaminantes en comparación con el gas natural licuado (LNG).

¿Cómo contribuye la tecnología GTL a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero?

Al reducir la quema de gas en antorchas y producir combustibles más limpios, la tecnología GTL disminuye significativamente las emisiones de dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno y material particulado.

¿Cómo se integra la tecnología GTL en la cadena de valor de la industria energética?

La tecnología GTL complementa la producción de petróleo refinado al proporcionar una fuente adicional de combustibles líquidos de alta calidad. Además, permite aprovechar reservas de gas en regiones sin infraestructura de gasoductos o plantas de LNG.

Conclusiones

La tecnología GTL representa una solución sostenible para el aprovechamiento de las reservas de gas natural, ofreciendo combustibles líquidos de alta calidad con menores emisiones. Los avances en catalizadores y optimización del proceso han permitido mejorar la eficiencia y viabilidad de esta tecnología.

La expansión de plantas GTL y la creciente demanda de combustibles limpios consolidan su importancia en el panorama energético global. En el futuro, se espera que las mejoras en diseño de catalizadores y el desarrollo de procesos más eficientes permitan una adopción más amplia de esta tecnología de conversión de gas a líquido, contribuyendo a la transición hacia una matriz energética más sustentable.

Referencias

1. https://www.researchgate.net/figure/Process-flow-diagram-of-a-typical-GTL-plant-14_fig14_277139124