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Desafíos de Innovación2020

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¿Cómo fabricar productos, dispositivos o sistemas que incorporen fracciones pesadas residuales del petróleo y se empleen en aplicaciones energéticas, electrónicas o ambientales?


Dirigido a: Grupos y Centros de Investigación, Empresa Participante, Centro de Desarrollo Tecnológico y/o productivo, Alianza Interinstitucional.
Premios disponibles: $ 60,000,000
Fecha apertura: 15 de mayo de 2020
Fecha cierre: 16 de octubre de 2020
Resultados preliminares: 26 de octubre de 2020
Resultados definitivos: 06 de noviembre de 2020
Caracterización Desafío 1 Términos de Referencia Desafío 1 Anexo 1 - TRL
Requisitos según participante
Grupos y Centros de Investigación Empresa Participante Centro de Desarrollo Tecnológico y/o productivo Alianza Interinstitucional

Antecedentes

El petróleo es un líquido inflamable, oleoso, de origen natural que se compone principalmente de una mezcla compleja de hidrocarburos que varía entre un 50 y un 98% en peso, y diversos compuestos orgánicos que contienen oxígeno, nitrógeno y azufre. Por lo general se extrae de debajo de la superficie de la Tierra mediante perforación de pozos. Dado que es una mezcla compleja de compuestos, para poder ser utilizado en las diferentes industrias se hace indispensable la utilización de diferentes procesos de tratamiento y transformación para la obtención del mayor número de productos de alto valor comercial. El conjunto de estos tratamientos constituye la refinación del petróleo [1]. En una refinería el petróleo se separa en una primera etapa en mezclas más simples de hidrocarburos mediante el proceso de destilación fraccionada, que puede ser a presión atmosférica o en vacío, y que aprovecha las diferencias en densidades y puntos de ebullición de los compuestos.  El petróleo se introduce a la parte baja de una torre de destilación y las sustancias más volátiles se van evaporando y pasan a las cámaras superiores, donde se enfrían y se condensan, mientras que las fracciones más pesadas quedan en las zonas inferiores. Las fracciones más pesadas se caracterizan por tener alta densidad, viscosidad, número de átomos de carbono en las moléculas y punto de ebullición. Cada fracción obtenida por destilación tiene usos industriales específicos, tal como se indica de forma simplificada en la Figura 1. Se indican allí también los rangos de número de átomos de carbono por molécula y los de los puntos de ebullición.

Adicional a la destilación fraccionada, en las refinerías se realizan procesos de conversión térmica (por ejemplo coquización y viscorreducción) y catalítica (por ejemplo craqueo catalítico fluidizado e hidrocraqueo) de las fracciones pesadas del petróleo buscando maximizar su aprovechamiento en productos valiosos y de alta demanda, como lo son los combustibles líquidos. Se realizan también procesos de separación por extracción líquido-líquido tales como el desasfaltado por solventes a ciertas fracciones pesadas para remover componentes no deseados o de menor valor. Se genera con este proceso una nueva fracción pesada del petróleo que es rica en asfaltenos. Los asfaltenos son un conjunto de compuestos pesados que presentan una elevada cantidad de anillos aromáticos unidos entre sí por cadenas de tipo parafínico y con polaridad relativamente alta (proporcionada mayoritariamente por la presencia de heteroátomos y metales) [2]. A nivel de laboratorio se definen como la fracción orgánica del crudo que es insoluble en n-parafinas (por ejemplo n-heptano) y solubles en compuestos aromáticos (por ejemplo tolueno o benceno).

Los productos comerciales tradicionales que se obtienen mediante los procesos de refinación convencionales se pueden clasificar de forma general en:

  • Energéticos: combustibles específicos para el transporte, la agricultura, la industria, la generación de electricidad y para uso doméstico. Este grupo de productos es el mas demandada.
  • Productos especiales: lubricantes, parafinas, solventes, asfaltos, grasas para vehículos y productos de uso industrial.
  •  Materias primas para la industria petroquímica básica: polímeros (plásticos), guantes, pinturas, envases diversos, detergentes, fibras textiles, insecticidas, etc.

 

 Figura 1. Fracciones obtenidas en el proceso de destilación fraccionada.



Fuente: John McMurry, Organic Chemistry, International Edition, 2015.

Motivación del desafío - Problemática

Existen diferentes factores que juegan en contra de la necesidad estratégica de las empresas de Oil & Gas de viabilizar la extracción y el procesamiento de las reservas de crudos pesados y extrapesados, al no contar con alternativas para agregarle valor a las fracciones pesadas que son un porcentaje muy apreciable de su composición. Entre estos factores están el cambio climático, la electrificación de los vehículos, los cambios en la regulaciones relativas a la calidad de los combustibles y los compromisos en descarbonizaciÓn de los procesos (reducción de emisiones de CO2). Como consecuencia principal, se prevé una reducción gradual de la demanda de combustibles (gasolina, diésel, jet y combustóleos) con el avance de transición energética, que implica el uso cada vez mas amplio de energías más limpias y de origen renovable (viento, agua, sol, biomasa) en lugar de las basadas en materias primas de origen fósil (carbón, petróleo y gas). Tal reducción en la demanda de combustibles, implicarían una reducción en el volumen de crudos procesados en las refinerías, y por tanto un alto riesgo de sostenibilidad en el mercado.

Por la anterior problemática, las empresas del sector Oil & Gas han comenzado a implementar cambios en sus procesos y segmentos de negocio. Entre las alternativas de diversificación de los portafolios comerciales sobresale la posibilidad de procesar las fracciones pesadas del petróleo hacia una mayor variedad de productos en lugar de combustibles [3-4].

Algunos ejemplos de derivados y/o usos alternativos (no tradicionales) de fracciones pesadas residuales del petróleo que se han propuesto en el estado del arte son:

  • Materiales grafénicos [5-10].
  • Fibras de carbono [4,11].
  • Carbones activos de alta área superficial [11-12].
  • Nanomateriales a base de carbono [13].
  • Encapsulantes de fertilizantes [3-4].
  • Tintas de impresoras 3D a base de carbono [3-4].
  • Componentes de celdas solares [14].
  • Componentes de baterías (supercapacitores) [11,14-17].
  • Catalizadores a base de carbono [18-19].
  • Puntos cuánticos de carbón [20-22].
  • Acidos húmicos y fúlvicos [23].
  • Materiales compuestos y recubrimientos funcionales [24-25].

La producción de cada uno de estos  materiales alternativos cuenta con diferente grado de madurez tecnológica y presenta limitaciones técnicas o económicas que deben ser superadas para poder pasar a escala industrial.

Valor agregado esperado

Específicamente, con el desafío se pretende obtener soluciones o propuestas para la obtención de productos, dispositivos o sistemas que incorporen fracciones pesadas residuales del petróleo, tales como los asfaltenos o el producto pesado del proceso de desasfaltado por propano (fondo Demex),  o derivadas de estas y que se empleen en aplicaciones energéticas, electrónicas o ambientales. La solución propuesta puede enfocarse en torno a superar aspectos técnicos o económicos que faciliten o aceleren la masificación de la producción de los materiales mencionados en la sección anterior. Con el fin de alinearse con la problemática anteriormente descrita, no son deseables soluciones enfocadas hacia la obtención de combustibles o derviados tradicionales, o que impliquen la combustión de las fracciones pesadas o su conversion térmica a condiciones severas de temperatura.

Algunos ejemplos no limitantes de tipos de aplicaciones energéticas, electrónicas o ambientales de interés en donde se pretende que se incorporen fracciones pesadas residuales del petróleo o derivados de estas, son:

 

·         Productos, dispositivos o sistemas para la adsorción y almacenamiento de H2.

·         Productos, dispositivos o sistemas para la captura y almacenamiento de CO2.

·         Productos, dispositivos o sistemas para la adsorción de contaminantes atmosféricos.

·     Productos, dispositivos o sistemas para el tratamiento de aguas contaminadas con hidrocarburos y/o metales pesados.

·         Productos, dispositivos o sistemas para el almacenamiento de energía eléctrica.

·         Productos, dispositivos o sistemas para mejorar la eficiencia de la transformación de radiación solar en energía eléctrica.

·         Productos, dispositivos o sistemas tipo celdas de combustibles para la generación de energía eléctrica.

·         Productos, dispositivos o sistemas de tipo aislante o conductor térmico para incrementar la eficiencia energética de procesos.

·         Productos, dispositivos o sistemas de tipo conductor eléctrico para incrementar la eficiencia del transporte de electricidad.

·         Productos para el mejoramiento de las propiedades de suelos o su remediación.

·         Productos, dispositivos o sistemas tipo sensores para la detección de sustancias.

 

La Figura 2 ilustra ejemplos no limitantes de aplicaciones de interés en las que se pretende que se incorporen fracciones pesadas del petróleo o derivados de estas.

 

 

Figura 2. Ejemplos no limitantes de aplicaciones de interés para incorporar fracciones del petróleo.


Características de la propuesta

Las soluciones propuestas deberán contar con las siguientes características:

-      La incorporación de la fracción pesada residual del petróleo o dervidados de estas, en el proceso de fabricación del producto, dispositivo o sistema que se empleará en una aplicación energética, electrónica o ambiental.

-      El producto, dispositivo o sistema debe ser fabricable y validable mediante pruebas de desempeño en la aplicación específica en un ambiente relevante en un plazo no superior a 6 meses y con los recursos entregados en el reto de innovación.

-      Debe contar con métricas para cuantificar la eficiencia o grado de desempeño en la aplicación específica para el producto, dispositivo o sistema.

-      Debe contar con factores diferenciadores con respecto a soluciones existentes en el mercado o el estado del arte.

 

Aspectos deseables de la solución

Se consideran como deseables en las soluciones propuestas los siguientes aspectos:

-      Alto nivel de novedad y diferencia con respecto a soluciones disponibles en el mercado o en la literatura.

-      Alto potencial de escalabilidad y masificación de la solución.

-      Alto nivel de incorporación de fracciones pesadas del petróleo o derivados de estas.

-      Alto valor agregado potencial.

-      Bajos costos de producción.

-      Bajo impacto ambiental negativo del proceso de producción.

-    Bajo nivel de uso de reactivos costosos, no disponibles nacionalmente o de manejo restringido o peligroso.

-      Desempeño equivalente o superior con respecto a soluciones disponibles en el mercado.

-      Bajo nivel de producción de subproductos y/o efluentes a tratar o disponer.

-      Bajo nivel de uso de equipos sofisticados o de operación compleja.

-      Altos parámetros de viabilidad económica.

-      Alto impacto positivo social y económico.

Es deseable también que la solución propuesta se encuentre en un nivel de madurez tecnológica de TRL3 (Technology Readiness Level [26]); es decir, haya surtido pruebas experimentales de concepto.

Nota 1: Si así lo requiere, cada proponente inscrito recibirá una muestra de máximo 1 Kg de fracción pesada residual del petróleo para que sea utilizada en el desarrollo de la idea o en prueba de concepto de la solución propuesta. Dependiendo de la solución propuesta se podría suministrar una cantidad mayor de muestra. Se suministrará también algunos datos de caracterización fisicoquímica de la fracción pesada que estén disponibles. El proponte no podrá divulgar a terceros tal información suministrada por ningún medio, ni usar la muestra para fines diferentes al desarrollo de la solución.

 

Bibliografía citada

 

  1. Refinación del Petróleo. Consultado en abril de 2020 desde: https://es.wikipedia.org/wiki/Refiner%C3%ADa_de_petr%C3%B3leo
  2. Zuo, Pingping, Shijie Qu, and Wenzhong Shen. "Asphaltenes: Separations, structural analysis and applications." Journal of Energy Chemistry 34 (2019): 186-207.
  3. Meisen, A. Bitumen Beyond Combustion (BBC) Project. Phase 1 report. Consultado en abril de 2020 desde: https://albertainnovates.ca/wp-content/uploads/2018/04/BBC-Report-1.pdf
  4. Meisen, A. Bitumen Beyond Combustion (BBC) Project. Phase 2 report. Consultado en abril de 2020 desde: https://albertainnovates.ca/wp-content/uploads/2018/04/BBC%20-%20Report%202.pdf
  5. Fernández, S.; Mercado, A.; Cuara, E.; Yeverino-Miranda, C.; Sierra, U., Asphalt as raw material of graphene-like resources. Fuel 2019, 241, 297-303.
  6. Sierra, U.; Álvarez, P.; Blanco, C.; Granda, M.; Santamaría, R.; Menéndez, R., Cokes of different origin as precursors of graphene oxide. Fuel 2016, 166, 400-403.
  7. Sreeprasad, T. S.; Gupta, S. S.; Maliyekkal, S. M.; Pradeep, T., Immobilized graphene-based composite from asphalt: Facile synthesis and application in water purification. Journal of Hazardous Materials 2013, 246-247, 213-220.
  8. Cheng, I. F.; Xie, Y.; Allen Gonzales, R.; Brejna, P. R.; Sundararajan, J. P.; Fouetio Kengne, B. A.; Eric Aston, D.; McIlroy, D. N.; Foutch, J. D.; Griffiths, P. R., Synthesis of graphene paper from pyrolyzed asphalt. Carbon 2011, 49, (8), 2852-2861
  9. Wu, Xiaolong, et al. "Preparation of Three-Layer Graphene Sheets from Asphaltenes Using a Montmorillonite Template." Journal of Nanomaterials 2019 (2019).
  10. Li, Yongfeng, et al. "Synthesis of graphene nanosheets from petroleum asphalt by pulsed arc discharge in water." Chemical engineering journal 215 (2013): 45-49.
  11. Qin, Fangfang, et al. "From coal-heavy oil co-refining residue to asphaltene-based functional carbon materials." ACS Sustainable Chemistry & Engineering 7.4 (2019): 4523-4531.
  12. Rabeea, Muwafaq Ayesh, et al. "High porosity activated carbon synthesis using asphaltene particles." Carbon Letters 30.2 (2020): 199-205.
  13. Li, Yongfeng, et al. "Synthesis of single-walled carbon nanotubes from heavy oil residue." Chemical engineering journal 211 (2012): 255-259.
  14. Abujnah, R. E., et al. "Asphaltene as light harvesting material in dye-sensitized solar cell: Resurrection of ancient leaves." J Environ Anal Toxicol 6.345 (2016): 2161-0525.
  15. Li, Peng, et al. "Synthesis of ultrathin hollow carbon shell from petroleum asphalt for high-performance anode material in lithium-ion batteries." Chemical Engineering Journal 286 (2016): 632-639.
  16. Enayat, Shayan, et al. "From crude oil production nuisance to promising energy storage material: Development of high-performance asphaltene-derived supercapacitors." Fuel 263 (2020): 116641.
  17. Yang, Wang, et al. "N, S codoped hierarchical porous graphene nanosheets derived from petroleum asphalt via in situ texturing strategy for high-performance supercapacitors." Industrial & Engineering Chemistry Research 58.11 (2019): 4487-4494.
  18. Jung, Hyosic, and Christopher W. Bielawski. "Asphaltene oxide promotes a broad range of synthetic transformations." Communications Chemistry 2.1 (2019): 1-9.
  19. Swaminathan, Jayashree, et al. "Asphaltene-Derived Metal-Free Carbons for Electrocatalytic Hydrogen Evolution." ACS applied materials & interfaces 11.31 (2019): 27697-27705.
  20. Feng, Xiaoting, and Yi Zhang. "A simple and green synthesis of carbon quantum dots from coke for white light-emitting devices." RSC Advances 9.58 (2019): 33789-33793.
  21. Zhao, Pinhui, et al. "Facile OnePot Conversion of Petroleum Asphaltene to High Quality Green Fluorescent Graphene Quantum Dots and Their Application in Cell Imaging." Particle & Particle Systems Characterization 33.9 (2016): 635-644.
  22. Wu, Mingbo, et al. "Preparation of functionalized water-soluble photoluminescent carbon quantum dots from petroleum coke." Carbon 78 (2014): 480-489.
  23. Ashtari, Maryam, et al. "New pathways for asphaltenes upgrading using the oxy-cracking process." Energy & Fuels 30.6 (2016): 4596-4608.
  24. Atta, Ayman M., et al. "Novel superhydrophobic sand and polyurethane sponge coated with silica/modified asphaltene nanoparticles for rapid oil spill cleanup." Nanomaterials 9.2 (2019): 187.
  25. Zhao, Pinhui, et al. "Facile fabrication of asphaltene-derived graphene-polyurethane sponges for efficient and selective oil-water separation." Journal of Dispersion Science and Technology 39.7 (2018): 977-981.
  26. Niveles de madurez de la tecnología. Consultado en abril de 2020 desde: https://www.mincotur.gob.es/Publicaciones/Publicacionesperiodicas/EconomiaIndustrial/RevistaEconomiaIndustrial/393/NOTAS.pdf

 

Objetivos y Meta

Lograr soluciones para la obtención de productos, dispositivos o sistemas que incorporen fracciones pesadas residuales del petróleo o derivados de estas, que tenga potencial para ser empleadas en aplicaciones energéticas, electrónicas o ambientales y que puedan ser probadas en un ambiente relevante en un plazo no superior a 6 meses haciendo uso de los recursos dados en el concurso.

Con la prueba en ambiente relevante se deberá obtener información cuantitativa que permita determinar la eficiencia o grado desempeño del producto, dispositivo o sistema, y validar el nivel de ajuste de la solución con respecto a los aspectos técnicos deseables mencionados anteriormente.

 

Alcance y Cobertura 

La convocatoria busca la obtención y/o desarrollo de una solución para ser probada o implementada  en un ambiente relevante. El desarrollo de la solución y su prueba o implementación, debe ser alcanzable según el plan de trabajo propuesto, considerando el tiempo y el monto máximo de recursos disponibles para el mismo. La prueba o implementación de la solución en un ambiente real deberá considerar una estrategia o método para evaluar de manera objetiva la funcionalidad del mismo.

La propuesta debe contener:

  • Un análisis y argumentación de cómo la solución permite la incorporación de la fracción pesada del petróleo o de derivados de estas en un producto, dispositivo o sistema que pueda ser empleado en aplicaciones energéticas, electrónicas o ambientales. Se debe indicar también el porcentaje en peso aproximado de la fracción pesada incorporada al producto, dispositivos o sistema. 
  • Una descripción de la problemática u oportunidad específica a ser abordada con la solución, y una sustentación de como a través de su implementación se lograría un desempeño equivalente o superior en la aplicación del producto, dispositivo o sistema. 
  • Un plan de trabajo para el desarrollo y validación de la solución. Se pretende que las ideas o propuestas puedan ser maduradas con recursos otorgados como premio del concurso en un plazo no superior a 6 meses. En el plan se deben especificar las métricas que se utilizarán para cuantificar la eficiencia o el grado de desempeño en la aplicación específica para el producto, dispositivo o sistema. El plan debe contener también la conformación del grupo de trabajo y describir la trayectoria profesional de cada integrante. 
  • Una descripción de los factores diferenciadores de la solución con respecto a soluciones existentes en el mercado o el estado del arte. Se recomienda realizar una descripción y un análisis del grado de ajuste de la solución propuesta a los aspectos deseables mencionados anteriormente.
  • Un análisis del costo de escalabilidad de la propuesta o solución. Es deseable que la propuesta cuente con la estructuración de modelo de costo de desarrollo, masificación y sostenibilidad. Este item debe estructurarse siguiendo la metodología Canvas (modelo de lienzo) donde se relacionen los aspectos básicos del modelo de negocios, considerando todas la variables que juegan un papel determinante.

 


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