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Cuando se usa un asador, el carbón se comporta de varias formas. Al principio, cuando se enciende, sale un humo blanco y espeso que se va disipando a medida que el calor se concentra, formando una llama. El fuego calienta lo suficiente el carbón para formar una brasa que se mantiene estable mientras se consume cada trozo. Cuando se apaga, deja escapar más humo y termina convertido en cenizas.
En términos científicos, explica Juan Manuel Barraza, director del grupo de investigación de ciencia y tecnología del carbono de la Universidad del Valle, el humo blanco y espeso “se debe a la evaporación del agua que está metida dentro del carbón”. La llama es un gas que se produce gracias a la materia volátil que compone al mineral, mientras que la brasa se mantiene “por lo que se conoce como carbono fijo”, y finalmente quedan los residuos del proceso de combustión.
Esas características son las que hacen del carbón uno de los combustibles fósiles más utilizados en el mundo. El calor que produce sirve para hervir agua, cuyo vapor se libera a presión para mover una turbina y producir electricidad. También se utiliza para calentar los hornos en los que se fabrica el acero, un material esencial para la construcción de edificios, puentes y carreteras.
Sin embargo, el uso de este mineral, junto al petróleo y el gas metano, es responsable de cerca del 80 % de las emisiones globales de dióxido de carbono (CO2) desde la revolución industrial, según el Tratado de No Proliferación de Combustibles Fósiles. Esta iniciativa, que fue impulsada por Colombia (y otros países) en la conferencia mundial de cambio climático de 2023 (COP28), pide que se elimine progresivamente el uso de combustibles como el carbón. Además, Colombia se ha comprometido ante las Naciones Unidas a reducir sus emisiones contaminantes para 2050, razón por la cual se han tomado decisiones como prohibir la entrega de nuevos títulos para la explotación de carbón a cielo abierto.
A pesar de esto, el país tiene la mayor reserva probada de carbón de América Latina, que se encuentra principalmente al norte del país. Desde 2020, en los laboratorios del Servicio Geológico Colombiano (SGC) y de la Universidad del Valle, un grupo de científicos colombianos está investigando la posibilidad de darle un uso alternativo a este mineral que podría impulsar la transición energética
En sus laboratorios, han probado técnicas para transformar el carbón en estructuras muy pequeñas, llamadas nano-cebollas (CNO, por su sigla en inglés), con las que se cree que se podría almacenar energía, construir paneles solares o capturar dióxido de carbono. Sin embargo, su eficiencia en comparación con las tecnologías existentes aún requiere de investigaciones más profundas, así como de inversiones muy altas para cubrir los costos de producirlas.
Nano-cebollas de carbono
Colombia suele estar entre los 10 primeros exportadores de carbón en el mundo y es el principal productor de Latinoamérica. Su lugar en este mercado no se debe solo a la cantidad que produce, sino a la calidad. De las reservas que hay en el país, más de 4.500 millones de toneladas (Mt) son de carbón antracítico y bituminoso, los más eficientes para producir calor , de acuerdo con la Agencia Nacional de Minería (ANM). Lo que hace que tenga estas características es su alto contenido de carbono y bajo contenido de material volátil y humedad.
El primer paso en el proceso para transformar ese carbón en nano-cebollas de carbono está a cargo del SGC. “Hacemos una caracterización fisicoquímica y petrográfica de los carbones”, dice Manuel Romero Moreno, coordinador del equipo de Geoquímica Orgánica del SGC. En otras palabras, lo que se busca es conocer si el carbón tiene las características óptimas para transformarse en el laboratorio.
Esto es importante porque “los carbones del país se han formado en condiciones geológicas diferentes, y eso hace que tengan propiedades diferentes”, señala Romero. Por ejemplo, el carbón que se encuentra en La Guajira o Cesar, es en su mayoría térmico, que se usa para producir energía. Mientras tanto, el de Cundinamarca o Boyacá es, principalmente, metalúrgico, que tiene un menor porcentaje de carbono y menos capacidad para generar calor. Así, los científicos pueden darse una idea de cómo se va a comportar el carbón cuando lo transformen en el laboratorio.
Transformarlos implica pasar de un trozo grande de carbón a uno diminuto. “Hay materiales que cuando los preparamos para que se vuelvan partículas muy pequeñas, cambian sus propiedades”, afirma Juan Matos Lale, químico e investigador titular de la Universidad Autónoma de Chile, en donde ha trabajado en varias investigaciones con estas partículas, conocidas como nanomateriales.
El proceso es similar al que se hace con el carbón para producir energía, en donde se calienta a temperaturas de entre 1.200 y 1.600 °C. Pero, hay una diferencia: en el laboratorio se crea un ambiente inerte, sin oxígeno, en el que se calienta el mineral sin hacer combustión y, si se cuenta con un sistema de captura de gases, sin producir emisiones.
Si todo sale bien, el carbón se separa en pequeñas partículas esféricas de carbono que tienen capas, por lo que reciben el nombre de “nano-cebollas de carbono”. El prefijo nano quiere decir que se encuentran a una escala nanométrica, que es la milmillonésima parte de un metro. Para hacerse una idea, un cabello puede tener un grosor de unos 60.000 nanómetros, mientras que una capa de una nano-cebolla puede medir alrededor de 10 nanómetros.
Esas pequeñas estructuras son las que han hecho que los científicos se planteen utilizar el carbón con un fin muy diferente al que ha tenido desde hace cientos de años.
¿Carbón para la transición energética?
Las nano-cebollas de carbón son reconocidas en el mundo científico por su capacidad para almacenar y transmitir energía. Al ser “supercapacitores”, tienen características similares a las de otros elementos que cumplen esta función, pero se pueden cargar más rápido y tener ciclos de descarga de la energía más largos.
Para determinar esto, “tenemos que hacer una caracterización de los materiales, entender cómo se reorganizaron los átomos de carbono luego del proceso de laboratorio y su respuesta a las pruebas de laboratorio que permiten cuantificar el almacenamiento de energía”, apunta Romero, del SGC. Por ejemplo, revisan qué tan bien definidas están las capas de la nano-cebolla, así como la cantidad y profundidad de los poros que tenga en su superficie.
En diferentes partes del mundo, como en Chile, ya se han logrado pruebas exitosas en varias aplicaciones para estos materiales. “El carbón activado, que se usa para tratar el agua, es el más conocido”, afirma Matos, pero también pueden servir para construir baterías, paneles solares o sistemas de captura de dióxido de carbono.
En 2023, investigadores de la Universidad del Valle y del SGC publicaron un artículo en la revista Diamond and Related Materials. Allí explicaron algunos de los procesos que han utilizado para obtener nano-cebollas de carbono y las características que les permiten pensar que podrían utilizarse para almacenar energía.
Saber si esto funciona fuera del laboratorio, en pruebas piloto o a una escala comercial, es algo que “requiere de un estudio más profundo”, advierte Angélica Candela, química y directora de laboratorios del SGC. Además, producir nanomateriales a gran escala también requeriría de una altísima inversión. Por ejemplo, según Barraza, uno de los hornos con los que trabajan en la Universidad del Valle tuvo un costo cercano a los $80.000.000 y produce unos pocos gramos de nano-cebollas.
Matos cuenta que en la U. Autónoma de Chile han adelantado dos proyectos que han hecho estudios de mercado para producir capacitores (para almacenar energía) y celdas fotovoltaicas (para paneles solares). “Han mostrado que tienen rentabilidad. Puede hacerse una inversión con retorno del 95 % del capital en tres años y ganancias en cinco años. Atraer esa inversión depende en gran parte de los gobiernos, que podrían hacer de este tipo de investigaciones parte de las apuestas de transición energética de cada país”, dice el investigador.
En Colombia, además de la prohibición para otorgar nuevos títulos para la minería de carbón a cielo abierto, el carbón térmico fue excluido de los minerales estratégicos para la transición energética. Aunque esta decisión se basa en el fuerte impacto ambiental que tiene, los científicos aseguran que, en el laboratorio, es posible controlar que no se generen emisiones contaminantes con un sistema de captura de gases.
De acuerdo con la ANM, aunque no se entreguen nuevos contratos de explotación de carbón a gran escala, hay contratos activos que explotarán hasta 2040, por lo que “seguiremos teniendo carbón y es fundamental explorar usos alternativos. Para eso esperaremos los resultados de las investigaciones del SGC”, afirma Álvaro Pardo, presidente de esa entidad.
Los estudios que se están adelantando buscan generar conocimiento sobre el carbón y explorar las posibilidades de que este combustible fósil pueda tener un lugar en la transición energética.
