Según la actualización de 2023 de la hoja de ruta de la AIE, las tecnologías de captura de carbono, los equipos de refrigeración más eficientes y las transiciones hacia energías limpias son las piedras angulares para alcanzar el objetivo de cero emisiones en 2050 y limitar el calentamiento global a 1,5 °C. Las tecnologías emergentes que utilizan materiales de marco metálico-orgánico (MOF) para la captura de carbono, la recuperación de refrigerantes, la extracción directa de litio, los equipos de calefacción, ventilación y aire acondicionado, y otros procesos de separación y purificación química pueden ser testigos de la llegada de tecnologías de nueva generación disruptivas, esenciales para la descarbonización industrial.

El nuevo informe de IDTechEx, «Metal-Organic Frameworks (MOFs) 2024-2034: Market, Technology, and Players», evalúa el papel de los MOFs en la aceleración de la descarbonización industrial y los retos asociados a la adopción industrial.

5 tecnologías clave basadas en MOF que pueden ayudar a abordar la descarbonización industrial. Fuente: IDTechEx

1. Sorbentes MOF para soluciones de captura de carbono en fuentes puntuales dirigidas a industrias difíciles de reducir

El despliegue de tecnologías de captura de carbono es clave para abordar las emisiones de industrias difíciles de descarbonizar (por ejemplo, cemento, acero, etc.), apoyar la producción de hidrógeno bajo en carbono y eliminar CO2 de la atmósfera. Los MOF pueden funcionar como filtros altamente selectivos capaces de adsorber CO2 en presencia de otros gases, como N2 y vapor de agua, con una cinética rápida. La ventaja clave es que los filtros saturados pueden regenerarse en cuestión de minutos utilizando calor industrial de bajo grado o procesos maduros de oscilación de presión, lo que ofrece vías de regeneración de menor energía en comparación con las actuales. Aunque estas tecnologías están funcionando a una escala sustancialmente inferior a la de la depuración de aminas, existe potencial para ampliar rápidamente estas tecnologías modulares a medio plazo.

2. Los MOF pueden reducir la huella de carbono asociada a la producción química

Los procesos de separación y purificación de productos químicos son uno de los que más contribuyen al consumo de energía en la industria química. Existe una gran oportunidad para el desarrollo de tecnologías de separación alternativas que utilicen materiales innovadores (por ejemplo, MOFs) para sustituir o complementar los sistemas existentes y así reducir el consumo de energía. Por ejemplo, el propileno, una importante materia prima química, puede separarse del propano para producir propileno de grado polimérico utilizando tecnología de membranas basada en MOF. La startup suiza UniSieve declaró a IDTechEx que su tecnología de membranas de tamiz molecular puede reducir el consumo de energía asociado a la separación de propileno/propano hasta en un ~90% en comparación con los procesos de destilación convencionales.

3. Tecnologías de extracción directa de litio basadas en MOF para abordar los retos previstos de la oferta y la demanda

Las tecnologías de energías limpias, como las baterías de los vehículos eléctricos, necesitan grandes cantidades de minerales esenciales. En la actualidad, el 60% de la demanda total de litio procede de las energías limpias, y se prevé que esta cifra se aproxime al 90% en 2030 en el escenario de emisiones netas cero (NZE) descrito por la AIE. Se prevé que la demanda de litio supere las 700.000 toneladas en 2030 en el escenario NZE de la AIE, mientras que la oferta prevista sólo cubrirá el ~70% de la demanda. Además, el informe de IDTechEx «Materials for Electric Vehicle Battery Cells and Packs 2023-2033» prevé un déficit de oferta a partir de 2026 (o antes). Por lo tanto, las expansiones rápidas y la diversificación de cadenas de suministro de minerales sólidas y sostenibles son esenciales para un crecimiento continuado.

La capacidad de adaptar los MOF para separar selectivamente sustancias químicas puede aprovecharse para las tecnologías de extracción directa de litio (DLE), una alternativa a los métodos convencionales de aislamiento del litio. La empresa estadounidense EnergyX ha desarrollado su propia tecnología modular de transporte y separación de iones de litio (LiTASTM), que utiliza membranas basadas en MOF. Actualmente está realizando demostraciones piloto de su tecnología en Norteamérica y Sudamérica. La empresa también ha recibido inversiones de General Motors (GM) para desarrollar su tecnología DLE y de refinería y apoyar su comercialización. El acuerdo también permite a GM acceder a tomas de litio competitivas para su uso exclusivo en la producción de vehículos eléctricos y apoya proyectos de producción de litio en América del Norte y del Sur en un esfuerzo por diversificar las oportunidades de la cadena de suministro.

4. Los MOF pueden ampliar el abanico de refrigerantes recuperables

Otra área es la recuperación de refrigerantes. Los refrigerantes de fluorocarbono tienen un potencial de calentamiento global (PCG) entre varios cientos y varios miles de veces superior al del CO2 (PCG del CO2=1). A raíz de la Enmienda de Kigali al Protocolo de Montreal, la producción de refrigerantes de hidrofluorocarburos debe reducirse significativamente para 2036. Por ello, Daikin, fabricante de refrigerantes y equipos de calefacción, ventilación y aire acondicionado, promueve activamente la recuperación de refrigerantes. Las tecnologías de separación basadas en MOF que se están desarrollando están permitiendo la separación de refrigerantes de fluorocarbono con pequeñas diferencias en los puntos de ebullición, que generalmente no son posibles con métodos de separación convencionales como la destilación.

5. Sistemas HVAC basados en MOF para hacer frente al elevado consumo de energía asociado a la refrigeración de espacios

Según la actualización de 2023 de la hoja de ruta Net Zero de la AIE, el consumo de energía asociado a la refrigeración de espacios se duplicará con creces de aquí a 2050, debido a la creciente demanda de aparatos de aire acondicionado en los mercados emergentes y las economías en desarrollo. Para gestionar la presión sobre la generación de electricidad y las infraestructuras, se necesitan sistemas de aire acondicionado más eficientes desde el punto de vista energético. Por ejemplo, Montana Technologies está comercializando AirJoule®, que utiliza contactores de aluminio recubiertos de MOF para su integración en sistemas de climatización y de captación de agua atmosférica y elimina los refrigerantes. Afirma que su tecnología puede reducir el consumo de electricidad en un ~75%. La empresa anunció en marzo de 2024 que había recibido toda la financiación necesaria para comercializar su tecnología con socios como BASF, GE Vernova, CATL y Carrier.

Perspectivas IDTechEx

Los MOF pueden desbloquear el advenimiento de tecnologías disruptivas de próxima generación que son esenciales para la descarbonización industrial. Sin embargo, la fabricación económica de MOF para aplicaciones industriales y el desarrollo de tecnologías robustas y escalables que integren estos materiales plantean varios retos. Aunque las pruebas iniciales y los datos piloto muestran resultados prometedores, las tecnologías aún no se han demostrado a escala industrial. Las asociaciones entre fabricantes de MOF y desarrolladores de tecnología son esenciales para avanzar en estas tecnologías y hacer realidad el potencial de estos materiales, siendo las inversiones estratégicas de los socios industriales clave para llevar estas tecnologías al mercado.

El nuevo informe de IDTechEx «Metal-Organic Frameworks (MOFs) 2024-2034: Market, Technology, and Players» ofrece un análisis independiente de estas tendencias y considera aplicaciones de MOFs para varias otras tecnologías en fase inicial, incluyendo almacenamiento de hidrógeno, almacenamiento de energía, sensores, y más. El informe, basado en los resultados de la investigación primaria, analiza los principales actores del sector y ofrece previsiones de mercado en términos de demanda masiva anual y valor de mercado segmentado por aplicación.

Autor: Dr. Shababa Selim, analista tecnológico de IDTechEx