La Química mira a 2030

La celebración de Expoquimia, entre el 14 y el 17 de septiembre en Fira de Barcelona, en lo que ha sido el primer gran encuentro ferial industrial en Europa desde el estallido de la pandemia global de Covid-19, ha servido para dar a conocer algunas de las principales soluciones tecnológicas que la industria química desplegará a lo largo de esta década con el objetivo de contribuir a la transición de la economía hacia un modelo descarbonizado y circular.

El foro ‘Smart Chemistry Smart Future’ -donde se agruparon algunas de las empresas líderes del sector químico con presencia en España, muchas de ellas con centros de producción e I+D+i en el polo petroquímico de Tarragona, el más importante del sur de Europa- fue el marco en el que se presentaron estos avances, todos ellos con un alto potencial de impacto para transitar hacia un mundo más sostenible, capaz de encarar la emergencia climática.

Estos son algunos de los grandes ejes de transformación que la industria química española, a través del documento Welcome to 2030, elaborado por la Federación Empresarial de la Industria Química Española (Feique), contempla para esta década que iniciamos.

Economía circular 

Se trata de recursos, no de residuos

Carles Navarro, presidente de Feique y del comité organizador de Expoquimia, además de director general de BASF Española, es muy claro: «Un residuo es un recurso en el lugar equivocado». La circularidad de la economía es eso: reciclar y reutilizar de manera infinita recursos que, una vez hecha su función, vuelven a ser aprovechados de otra manera, sin tener que buscar constantemente nuevas fuentes de recursos.

Captura de CO2
Las nuevas tecnologías de captura y almacenamiento de dióxido de carbono (CO2) pueden llegar a contribuir a reducir en hasta un 30% las emisiones de este gas a escala global, según cálculos de Feique. Se trata de una tecnología que permitirá convertir el CO2 -capturado en los puntos de emisión industriales, pero también directamente del aire, posteriormente licuado y almacenado en lugares como antiguas reservas agotadas de hidrocarburos- en valiosas materias primas.

Metanol, polioles o polímeros logrados a partir de la captura de ese CO2 sirven para elaborar productos de uso cotidiano como zapatillas deportivas, espumas de poliuretano para colchones, disolventes, detergentes, cosméticos, hormigón para la construcción, films transparentes o fibras textiles elásticas, además de combustibles sintéticos y catalizadores de aplicación industrial.

Reciclaje Químico
La industria química lleva tiempo buscando soluciones al reto del reciclaje infinito de los plásticos, donde el método más habitual de reciclaje ha sido hasta ahora el mecánico: clasifica, lava, trocea y vuelve a fundir el material plástico para transformarlo en nuevos productos.
Este proceso, que es muy eficaz en el caso de productos hechos con un único polímero o en aquellos cuyos múltiples componentes pueden separarse adecuadamente, resulta sin embargo mucho más complicado cuando se trata de productos con varios polímeros o contaminados con otros residuos. La tecnología del reciclaje químico busca dar una oportunidad a esos residuos plásticos difíciles de reciclar mecánicamente, y que hasta ahora, en el mejor de los casos, han tenido un uso como combustible para la generación de energía.

El reciclaje químico descompone químicamente el plástico en sus moléculas de origen, conservando sus propiedades intactas. La ventaja es generar materiales de muy alta calidad muy semejantes en cualidades y características a los que se usaron en origen, por lo que se pueden volver a utilizar una y otra vez, incorporándolo de nuevo al proceso de producción como si fuera una materia prima virgen. 

Pirólisis, solvólisis y degradación enzimática

Tres son hoy las principales técnicas de reciclaje químico: la pirólisis somete a los plásticos a temperaturas superiores a 450 grados centígrados; la solvólisis aplica un reactivo químico combinado con presión y temperatura; la degradación enzimática emplea enzimas de microorganismos.

Bioproductos
El aprovechamiento circular de los recursos biológicos está en la base de la bioeconomía, y los bioproductos serán lo que lo hará posible. Su ámbito de aplicación va desde la biosalud a la bioenergía, pasando por la bioindustria y la agrobiotecnología. El objetivo es pasar de un sistema productivo basado en los combustibles fósiles a otro apoyado en la biotecnología.

Sus aplicaciones abarcan los bioplásticos, los biomateriales, los productos químicos (tales como pinturas, tintas, revestimientos, cosméticos, adhesivos, plastificantes o fibras artificiales) a partir de materias primas de origen biológico o los combustibles.

Transición energética 

Hacia la neutralidad climática en 2050

El objetivo fijado por la Comisión Europea es claro: lograr que Europa sea el primer continente del mundo climáticamente neutro en el año 2050. La transición energética hacia una economía descarbonizada es necesaria.

Energías renovables
Limitar el mantenimiento y alargar al máximo la vida útil de los aerogeneradores es el objetivo de la nueva generación de materiales compuestos como la fibra de vidrio y de carbono, así como de los distintos tipos y mezclas de resinas con las que se fabrican las palas de estos equipamientos. En fotovoltaica, las perovskitas, una gran familia de materiales de estructura cristalina, están llamadas a integrar la nueva generación de materiales para la fabricación de células fotovoltaicas, en combinación con el tradicional silicio, y a quienes podría añadirse el grafeno.

Fotosíntesis artificial
La fotosíntesis artificial consigue separar el oxígeno y el hidrógeno del agua a través de la luz solar, mediante un sistema en el que, entre otros componentes, intervienen catalizadores. Reproducido a gran escala, este proceso puede contribuir poderosamente a la descarbonización.

Hidrógeno verde
El hidrógeno verde, obtenido a partir de la separación del oxígeno y el hidrógeno que componen el agua mediante un proceso de electrólisis que utiliza electricidad procedente de fuentes de energía renovables, será un vector energético clave en la transición energética hacia una economía descarbonizada.

Iniciativas como la Vall de l’Hidrogen de Catalunya, liderada por la Universitat Rovira i Virgili (URV) en colaboración, entre otros, con las empresas presentes en el polo petroquímico de Tarragona, son cruciales para ello.

Junto al hidrógeno verde se postula también, a más corto plazo, el hidrógeno azul, obtenido a partir de la pirólisis de gas metano, donde se divide el gas natural en hidrógeno y carbono, a la vez que se captura el CO2 que se emite en el proceso, para aprovecharlo como materia prima de nuevos productos.

En el informe divulgado por Feique, esta organización empresarial calcula que el uso del hidrógeno, que podría llegar a representar entre el 10% y el 20% del consumo energético mundial, sería capaz de reducir hasta en un 35% las emisiones globales de gases de efecto invernadero.

Biorefinerías y bioplásticos

Las biorefinerías transforman en biocombustibles o biofertilizantes recursos biológicos como los residuos orgánicos, reemplazando así a los recursos fósiles. Los bioplásticos, fabricados a partir de recursos biológicos como el maíz, la caña de azúcar o el cultivo de microorganismos, suponen otra alternativa sostenible.

Movilidad sostenible
Junto al futuro vehículo de pila de combustible propulsado por hidrógeno, donde la electricidad se va generando a medida que el coche la necesita mediante el procesamiento del hidrógeno contenido en la pila, surgen los ecocombustibles, necesarios para complementar la electrificación en todos los sectores.

Esto es especialmente importante en el transporte pesado, marítimo y aéreo, donde existen menos alternativas tecnológicas. Los ecocombustibles son una nueva gama de carburantes líquidos producidos a partir de residuos o de CO2 capturado en refinerías o instalaciones industriales que impulsa la completa circularidad y el reaprovechamiento de los recursos.

Gracias a los procesos y los catalizadores suministrados por la química, las refinerías pueden producir cantidades significativas de combustibles líquidos bajos en carbono a partir de materias primas alternativas al petróleo como biomasa, residuos, CO2 capturado e hidrógeno verde, empleando para ello electricidad proveniente de fuentes de energía renovables.

Almacenamiento energético
El desarrollo de baterías de alta eficiencia y duración se encuentra entre las tecnologías con mayor peso para alcanzar la descarbonización de la economía, fundamentalmente en el sector del transporte y en el energético. Existen varios tipos de baterías, pero en la actualidad las más utilizadas son las de ion-litio y sus variantes, como el litio-ferrofosfato o el litio-polímero, entre otras, y las baterías de flujo redox.

Aunque las baterías de litio siguen jugando un papel muy importante, su rendimiento es finito. Además, las reservas mundiales de este elemento son limitadas y su reciclaje bastante complejo, por lo que la industria química está abriendo paso a alternativas basadas en otros metales como el sodio, el magnesio, el calcio o el cinc, que son más baratos y abundantes y tienen una potencial densidad energética incluso mejor.

Salud y alimentación 

Vivir más y mejor

La alimentación, la salud y la higiene están entre las principales prioridades de la Humanidad, y la industria química está en el centro de algunas de las innovaciones que se están dando en estas áreas.

‘Smart Farms’ y agrobots
En 2050 la población mundial rondará los 10.000 millones de habitantes, según la ONU, un 30% más que en la actualidad. Pero, de seguir con las prácticas agrícolas actuales, para ese momento podrían haberse degradado el 95% de las tierras del mundo.

Una de las soluciones está en la aplicación de tecnologías avanzadas y la robotización a la producción agrícola. Es decir, Agricultura de Precisión o Smart Farms, que permite obtener información detallada de los cultivos con el objetivo de aumentar el rendimiento de las cosechas reduciendo tiempos, costes, riesgos, trabajo y sobre todo impacto ambiental.

La industria química proporciona materiales para los componentes que permiten la sensorización y automatización de cultivos mediante agrobots, así como soluciones para evitar el desperdicio alimentario (conservantes, gases criogénicos para la congelación, embalajes, envases...), alargando la vida de los alimentos.

Llega la impresión 4D

La impresión 4D será una realidad a corto plazo.  Se trata de añadir a los materiales para la impresión 3D la capacidad de transformarse con el paso del tiempo por efecto de un factor externo como puede ser la luz, el calor, la vibración, un campo magnético, un campo eléctrico o la inmersión en agua.

Medicina personalizada
La impresión 3D es una técnica que permite generar estructuras complejas mediante la aplicación de un material capa por capa. En el campo de la salud, entre sus aplicaciones destacan la fabricación personalizada de prótesis, implantes y tejidos para usos ortopédicos, dentales, craneales o maxilofaciales. En la impresión 3D médica se usan polímeros termoplásticos, resinas fotopolimerizables, nanomateriales o compuestos biológicos como, por ejemplo, los polímeros naturales. Además, en la bioimpresión para fabricar implantes y tejidos, se necesitan materiales biológicos, bioquímicos o células vivas que se utilizan para imprimir capas o estructuras tridimensionales similares a los tejidos humanos.

La impresión 3D se puede utilizar también en medicina personalizada de precisión para medicamentos. Se diseña el comprimido con diferentes principios activos y dosis en función de la necesidad del paciente, que luego liberan de forma personalizada la medicación en el organismo, mejorando su efectividad y reduciendo los efectos adversos.

Industria 4.0 

La digitalización nos ha transformado

Fábricas inteligentes, Blockchain, Inteligencia Artificial, computación cuántica, impresión 3D, Internet de las Cosas (IoT) y Big Data son algunas de las tecnologías clave que necesitarán las soluciones que les ofrece la industria química.

Digitalización
La aplicación de la digitalización a los procesos industriales, en lo que se ha llamado la transición hacia la Industria 4.0, está transformando las formas de producir tal y como las conocíamos. La transformación digital requiere de microcircuitos electrónicos, sistemas de comunicación, almacenamiento de datos ópticos y magnéticos, empaquetado avanzado e interconexión óptica, donde nuevos materiales y tecnologías desarrollados por la industria química son esenciales.

Entre ellos se encuentra la fibra óptica que se utiliza en las redes de transmisión de datos, donde la propagación efectiva de la luz se da gracias a un núcleo que tiene un índice de refracción más alto que el revestimiento. Ese núcleo es de vidrio puro o de plástico, con óxidos de fósforo, germanio o aluminio, mientras que el revestimiento es de vidrio de sílice puro con fluoruros u óxido de boro. A su vez, el núcleo y el revestimiento están envueltos con un recubrimiento de silicona, carbono o poliamida, que protege a la fibra de golpes, rasguños y humedad.

También la computación cuántica, que supondrá un salto tecnológico sin precedentes en la capacidad de computación actual, y que para que sea posible precisa de temperaturas extremadamente bajas, de hasta -273 grados centígrados, conseguidas con frigoríficos que emplean gases como el Helio-3 y el Helio-4. 

Fabricación aditiva
Proliferan los nuevos materiales para la impresión 4D, la siguiente generación en la fabricación aditiva. Entre ellos están los polímeros con memoria de forma o SMP, que memorizan una forma macroscópica, la mantienen durante cierto tiempo y son capaces de volver a su forma original sin deformaciones.

También los elastómeros de cristal líquido o LCE, compuestos por polímeros con propiedades elásticas que contienen cristales líquidos sensibles al calor (la forma deseada es programada controlando la orientación de los cristales y, al aplicar un cambio de temperatura, cambia la orientación y el material se transforma según lo programado) y, por último, los  hidrogeles, unos polímeros que se hinchan en agua sin disolverse y que, cuando están secos, son sólidos rígidos, mientras que, mojados, tienen un aspecto gomoso como el de unas lentillas.