Desafíos de Innovación2020

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. En una refinería el petróleo se separa en una primera etapa en mezclas más simples de hidrocarburos mediante el proceso de destilación fraccionada que aprovecha las diferencias en densidades y puntos de ebullición.1 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. Cada fracción obtenida 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 fracción pesada del petróleo 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 corriente eléctrica y para uso doméstico. Este grupo de productos es el mas demandado.

• Productos especiales: lubricantes, parafinas, 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.

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

Figura 1. Fracciones obtenidas en el proceso de destilación del petróleo.

Motivación del desafío de innovación – Problemática

La transición energética y los proyectos de descarbonización han impulsado el uso del petróleo en aplicaciones diferentes a la producción de combustibles.3,4 Actualmente, debido a las grandes reservas de crudo extrapesado, la complejidad de su refinación y las restricciones ambientales para su procesamiento, se motiva la búsqueda de alternativas de uso que permitan extraer un mayor valor agregado, especialmente de las fracciones mas pesadas (residuos con punto de ebullición >580 ºC, e.g. asfaltenos). Debido a esta problemática, las empresas del sector Oil & Gas han comenzado a implementar cambios en sus procesos y segmentos de negocio orientados hacia la diversificación de los portafolios comerciales donde sobresale la posibilidad de procesar las fracciones pesadas residuales del petróleo para obtener nuevos materiales y derivados en lugar de combustibles. En el sector de construcción, el uso masivo de polímeros de alta y baja densidad, asfaltos, recubrimientos impermeabilizantes, asfaltos, resinas, etc.,5,6 hace que se mantenga un interés vigente sobre el potencial de las fracciones pesadas residuales del petróleo como materia prima y contribuye a que se incremente su uso de cara a la exploración de nuevas tecnologías o mejorar las ya existentes.

Los referentes actuales con respecto a la arquitectura, obra civil y construcción se enfocan casi exclusivamente en el desarrollo de nuevos materiales que cumplan con características mecánicas idóneas, que sean de producción sostenible y de bajo impacto ambiental.7 Otro frente importante de desarrollo está relacionado con la transición hacia los materiales inteligentes –todo material que se considera inteligente tiene una propiedad específica relacionada con uno o más de sus componentes y satisface a una necesidad en la construcción, por ejemplo, baja permeabilidad o resistencia a la oxidación-. A 2020 la demanda de materiales de construcción ha aumentado considerablemente y se espera un crecimiento del 5.5% para el año 2022. e.g. en Colombia está ocurriendo la transición de vías veredales e intermunicipales hacia vías primarias pavimentadas, como también las construcción de las vías 4G, a través de un plan de construcción masiva. La demanda de materiales como los asfaltos, concretos y recubrimientos es creciente por lo que se prevé que el sector de producción de materiales tenga un crecimiento económico alto.

Debido a factores como la geografía nacional (accidentada), la sísmica y las condiciones atmosféricas, los materiales de construcción deben ser de fácil transporte, livianos, flexibles, resistentes a la compresión, a la corrosión, a la humedad y oxidación, y no menos importante, competitivos en el mercado. Adicionalmente, los entes reguladores de ambiente y salud, han promulgado la prohibición paulatina de materiales como el “asbesto” y “fibra de vidrio”, los cuales han demostrado su potencial daño a la salud humana y que es utilizado actualmente en el sector de la construcción. Estos factores negativos promueven la búsqueda e implementación de nuevos materiales que no causen un impacto negativo en la salud y que conserven las propiedades de ingeniería y puedan ser incorporados en el sector.8-11

En Colombia, cerca del 60% de los materiales de construcción y obra civil corresponden a cemento y metales, con precios de baja fluctuación debido a que se trata de un mercado masivo y estandarizado. El 40% restante, que corresponde a materiales de interiores, recubrimientos, asfaltos, pinturas, cielorrasos, drywalls, redes eléctricas, cerámicas, etc., exhiben alta variabilidad de los precios en el mercado lo que los hace más atractivos desde un punto de vista comercial.

Finalmente, la diversificación de las materias primas empleadas para la manufactura de materiales de construcción, que incluye la incorporación de corrientes del petróleo, abre un nuevo panorama para la exploración de nuevas tecnologías asociadas a la industria con el fin de explorar una transición hacia la petroquímica avanzada, la viabilización de los proyectos petroleros del país, mayor contribución al sector de la construcción y al desarrollo socioeconómico de Colombia.

Valor agregado esperado

Con este desafío de innovación se pretende obtener propuestas o soluciones orientadas al desarrollo de materiales de construcción que incorporen fracciones pesadas residuales del petróleo (e.g. asfaltenos o el producto pesado del proceso de desasfaltado por propano, fondo Demex) y que cumplan una o varias funciones específicas en obra civil (red vial, viviendas, edificios, interiores, etc.). Los materiales pueden ser fabricados en su totalidad con la fracción pesada residual del petróleo o que sea incorporada como uno de los componentes, sin afectar las propiedades mecánicas, químicas o de ingeniería de las tecnologías probadas en la industria de la construcción. 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. Algunos ejemplos de materiales deseables no limitantes incluyen (Figura 2):

Materiales disipadores como espumas (sonido, calor, radiación electromagnética)

• Impermeabilizantes
• Cielorazos que reemplacen icopor
• Tejas
• Asfaltos, ligantes asfálticos, concretos asfálticos
• Concretos de mayor resistencia mecánica
• Concretos impermeables
• Drywall
• Ladrillos o piezas modulares pre-fabricadas
• Recubrimiento inertizante (crecimiento de microorganismos y plántulas)
• Recubrimiento anticorrosivo
• Recubrimientos funcionales
• Fibras poliméricas
• Fibras de carbono
• Materiales de refuerzo
• Abrasivos
• Solventes
• Masillas
• Sellantes
• Adhesivos
• Polímeros especializados
• Geotextiles

Figura 2. Ejemplos de materiales de construcción a partir de fracciones pesadas residuales del petróleo

Figura 3. Esquema de directrices para el diseño de los materiales de construcción.

En la figura 3 se observa un esquema general como directriz para orientar el diseño de los materiales de construcción de las propuestas. El material debe incorporar corrientes de petróleo o sus derivados (preferiblemente fracciones pesadas residuales como los asfaltenos o aquellos que superen los 580 ºC en punto de ebullición de acuerdo a la figura 1) y no debe afectar las propiedades biológicas, físicas, químicas o de ingeniería de los materiales. El grado de novedad del material se establece como disruptivo y esta característica debe ser medible con referentes existentes en el mercado (e.g. un recubrimiento a partir de un composito arcilla@corrientepetróleo con un aumento del 10% en la capacidad impermeabilizante). Con respecto al criterio medioambiental, se busca que el material tenga el menor impacto negativo medible. El criterio financiero establece tres variables importantes; la escalabilidad con el fin de producir el material en gran cantidad, la sostenibilidad para garantizar la producción del material a un costo de baja fluctuación en la escala de tiempo y la competitividad que posiciona el producto en el mercado con base en factores como precio, calidad y durabilidad.

Características de la propuesta

Las soluciones o propuestas planteadas deben contar con las siguientes características:

• La incorporación de la fracción pesada residual del petróleo o dervidados de estas en el proceso de fabricación del material que se empleará en el sector de la construcción.

• La solución o propuesta debe ser demostrable en un ambiente relevante e.g. estructura a partir del material de construcción (pared, teja, ladrillo, recubrimiento, etc.)

• La solución o propuesta debe contar con un factor diferenciador de aplicación respecto a materiales de construcción existentes en el mercado.

• La solución o propuesta, debe contar con una métrica que permita evidenciar que la incorporación de la corriente de petróleo al material no afecta las propiedades mecánicas, químicas, biológicas, o que presentan mejoría en algún grado cuantificable, con respecto al desempeño del material existente.

• La solución o propuesta debe incorporar preferiblemente fracciones pesadas residuales del petróleo como los asfaltenos o sus derivados.

Aspectos deseables de la solución

Se consideran como deseables las siguientes características de la solución o propuesta:

• Un nivel de invención significativamente alto con respecto a los referentes existentes.
• Que el modelo de negocios se ajuste a un mercado relevante en el sector de la construcción.
• La solución propuesta demuestre un nivel de madurez tecnológica TRL3;12 es decir, haya surtido una prueba expermiental de concepto.
• Alto impacto positivo social y económico.
• Bajo impacto ambiental negativo del proceso de producción.
• Alto número de sectores o personas beneficiadas.
• Demostrable la puesta en marcha de la solución a escala masiva.
• Alta incorporación de la fracción pesada residual de petróleo o sus derivados.
• Bajos costos de producción.
• Bajo nivel de uso de reactivos costosos, no disponibles nacionalmente o de manejo restringido o peligroso.
• Baja generación de subproductos.
• Bajo uso de equipos sofisticados o de operación compleja.
• Altos parámetros de viabilidad económica.

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 expermientales 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 sugerida

1. Refinacion del Petroleo. 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. Smil, Vaclav. "Energy Transitions: History, Requirements." Prospects 1 (2010).
4. Sovacool, B. K. (2016). How long will it take? Conceptualizing the temporal dynamics of energy transitions. Energy Research & Social Science, 13, 202-215.
5. Kumar, R. (2016). A review on epoxy and polyester based polymer concrete and exploration of Polyfurfuryl Alcohol as polymer concrete. Journal of Polymers, 2016.
6. Valluzzi, M. R., Modena, C., & de Felice, G. (2014). Current practice and open issues in strengthening historical buildings with composites. Materials and structures, 47(12), 1971-1985.
7. Liu, L., Li, H., Lazzaretto, A., Manente, G., Tong, C., Liu, Q., & Li, N. (2017). The development history and prospects of biomass-based insulation materials for buildings. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 69, 912-932.
8. Pontificia Universidad Bolivariana, Diciembre de 2015, Medellín, Colombia. “Guía para el diseño de edificaciones sostenibles” consultado desde: ,
9. Díaz-Reyes, C.A., Ramírez Luna, J.A. “Las normas aplicables en el desarrollo de vivienda de interés social” Bogotá, D.C. Colombia, Ministerio de Ambiente, Vivienda y desarrollo territorial. 2011. 48 p consultado desde: http://www.minvivienda.gov.co/Documents/guia_asis_tec_vis_3.pdf
10. Khandal, R.K., Development of novel materials for Smart structures: visionary concepts, Dubai, UAE, 2011. Consultado desde: https://data.smar-conferences.org/SMAR_2011_Proceedings/papers/KN%20KH.pdf
11. Congreso de la República de Colombia, Ley 1968, 2019. “Por el cual se prohíbe el uso de asbesto en el territorio nacional y se establecen garantías de protección a la salud de los Colombianos”. Consultado desde: https://dapre.presidencia.gov.co/normativa/normativa/LEY%201968%20DEL%2011%20DE%20JULIO%20DE%202019....
12. Niveles de madurez de la tecnología. Consultado desde: https://www.mincotur.gob.es/Publicaciones/Publicacionesperiodicas/EconomiaIndustrial/RevistaEconomia...

Objetivos y Meta

Alcanzar una propuesta o solución innovadora para la obtención de nuevos materiales de construcción que incorporen fracciones pesadas residuales del petróleo (e.g. asfaltenos) con aplicación potencial en red vial, vivienda u obra blanca y que pueda ser probada en un ambiente relevante en un plazo no mayor a 6 meses preferiblemente. La solución o propuesta debe incorporar la fracción pesada residual del petróleo o un derivado, sin afectar las propiedades o características del material o presentar una mejoría de estas.

La propuesta o solución deberá contar con métricas o información cuantitativa que permita determinar si las propiedades no han sido afectadas o el grado de mejora del desempeño de los materiales de construcción. También

Como ejemplo de información cuantitativa esperada se tiene: medición de resistencia mecánica del material (torsión, flexión, compresión, etc.), caracterización del peso y densidad del material, resistividad a la oxidación, permeabilidad, durabilidad, calidad, etc.

Alcance y Cobertura

La convocatoria busca la obtención y/o desarrollo de un material para ser probado en un ambiente relevante asociado con obra civil; red vial, vivienda social, edificios e interiores.

El desarrollo de la solución o propuesta y su prueba o demostración debe ser alcanzable según el plan de trabajo establecido, considerando el tiempo y los elementos disponibles para el mismo. La prueba en un ambiente relevante deberá considear una estrategia o método para evaluar de manera cuantitiva el desempeño del mismo.

La propuesta deberá estar focalizada en como incorporar fracciones pesadas residuales del petróleo o sus derivados en materiales de construcción logrando que tengan un buen desempeño, sean sostenibles y que se puedan adaptar al mercado bajo un modelo de negocios, considerando el tiempo y los recursos otorgados por el premio. La prueba o implementación de la solución en un ambiente real deberá considerar una estrategia o método para evaluar de manera objetiva su funcionalidad.

La propuesta debe tener:

• Análisis y argumentación de cómo la iniciativa o solución demuestra la incorporación efectiva de la fracción pesada residual del petróleo manteniendo las características del material o aportando en la mejora de sus propiedades. Se debe indicar también el porcentaje en peso aproximado de la fracción pesada incorporada al material.

• Descripción de la problemática que se está abordando y como la propuesta o solución logra un desempeño equivalente o superior con base a los referentes.

• 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. El plan también debe contener la conformación del grupo de trabajo y describir la trayectoria profesional de cada integrante.

• Análisis de costo de escalabilidad de la solución o propuesta. Estructuración del modelo de negocio y masificación de la solución. Este ítem debe estructurarse siguiendo la metodología Canvas (modelo de lienzo) donde se relacione los aspectos básicos del modelo de negocios, considerando todas las variables que juegan un papel determinante.