Membranas cerámicas podrían reducir las emisiones de dióxido de carbono de las plantas de energía basadas en gas y carbón.
Jennifer Chu, MIT News Office. Original (en inglés).
Podría parecer contradictorio, pero una forma de reducir las emisiones de dióxido de carbono en la atmósfera podría ser producir dióxido de carbono puro en las plantas de energía que queman combustibles fósiles. De esta manera, los gases de invernadero – una vez aislados dentro de una planta – podrían ser capturados y almacenados en reservas naturales, profundas en la corteza terrestre.
Dicha tecnología de “captura-de-carbono” podría reducir significativamente las emisiones de gas de efecto invernadero de fuentes de energía baratas y abundantes como el carbón y el gas natural, y ayudar a minimizar la contribución de los combustibles fósiles al cambio climático. Pero extraer dióxido de carbono del resto de los residuos de las plantas de energía es ahora un proceso caro que requiere de cantidades inmensas de energía, químicos especiales y equipo extra.
Ahora investigadores en el MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts), están evaluando un sistema que elimina eficientemente el nitrógeno del proceso de combustión, dejando fluir dióxido de carbono puro después de remover otros residuos de la combustión como agua y otros gases. La pieza central del sistema es una membrana cerámica usada para separar oxígeno del aire. Quemar combustibles fósiles en oxígeno puro, en oposición al aire – un proceso conocido como combustión oxicombustible (oxyfuel) – puede dejar un flujo puro de dióxido de carbono.
Los investigadores han construido un reactor a escala en su laboratorio para probar la tecnología de membrana y han comenzado estableciendo parámetros para operar las membranas bajo las condiciones extremas encontradas dentro de una planta de energía convencional. Los resultados del grupo aparecerán en el Journal of Membrane Sciences (Diario de Ciencias de Membranas), y serán presentados en el Simposio Internacional sobre Combustión en Agosto.
Ahmed Ghoniem, el profesor de ingeniería en el MIT, dice que la tecnología de membranas cerámicas podría ser una solución económica y ahorradora de energía para capturar dióxido de carbono.
“En lo que estamos trabajando es en hacer esta separación en una forma muy eficiente, y esperamos que por el menor costo”, dice Ghoniem. “El solo objetivo detrás de esta tecnología es continuar usando combustibles fósiles baratos y disponibles, producir electricidad a un bajo costo y de manera conveniente, pero sin emitir tanto CO2 como lo hemos estado haciendo”.
El grupo de Ghoniem está trabajando con otros colegas en el MIT, junto con fabricantes de membranas, para desarrollar esta tecnología y establecer lineamientos para escalarla e implementar en plantas de energía futuras. La investigación está en línea con el trabajo previo del grupo, en el que demostraron una nueva tecnología llamada combustión de oxicombustible presurizado (pressurized oxyfuel combustion) que han mostrado que mejora la eficiencia de conversión y reduce el consumo de combustible.
Alimentando con oxígeno puro
El aire que respiramos está compuesto principalmente de nitrógeno (78 por ciento) y oxígeno (21 por ciento). El proceso típico para separar el oxígeno del nitrógeno involucra una unidad criogénica que enfría el aire entrante a una temperatura lo suficientemente baja para licuar el oxígeno. Mientras que la técnica de congelamiento produce un flujo puro de oxígeno, el proceso es caro y voluminoso, y consume energía considerable, que podría mermar la salida de una planta de energía.
Ghoniem dice que las membranas cerámicas que proveen el oxígeno necesario para el proceso de combustión podrían operar mucho más eficientemente, usando menos energía para producir oxígeno puro y finalmente capturar dióxido de carbono. Él vislumbra el uso de la tecnología tanto en nuevas plantas de energía como una mejora para las plantas existentes para reducir las emisiones de dióxido de carbono.
Las membranas cerámicas son materiales selectivamente permeables a través de los cuales solo el oxígeno puede fluir. Estas membranas, hechas de óxidos metálicos como aluminio y titanio, pueden resistir temperaturas extremadamente altas – una gran ventaja en lo que respecta a operarlas en los duros entornos de una planta de energía. Membranas cerámicas separan oxígeno a través de un mecanismo llamado transporte de iones, donde los iones de oxígeno fluyen a través de una membrana, atraídas al lado de la membrana con menos oxígeno.
Una solución dos-en-uno
Ghoniem y sus colegas construyeron un reactor a escala con membranas cerámicas y estudiaron el flujo resultante de oxígeno. Observaron que conforme el aire pasa a través de una membrana, el oxígeno se acumula en el lado opuesto, finalmente alentando el proceso de separación de aire. Para evitar esta acumulación de oxígeno, el grupo construyó un sistema de combustión en su reactor modelo. Encontraron que con este sistema dos en uno, el oxígeno pasa a través de la membrana y se mezcla con el flujo de combustible en el otro lado, quemándolo y generando calor. El combustible quema el oxígeno, haciendo espacio para que fluya más oxígeno a través. Ghoniem dice que el sistema es una situación “ganancia-ganancia,” permitiendo la separación de oxígeno del aire mientras la combustión toma lugar en el mismo espacio.
“Resultó ser una manera inteligente de hacer las cosas”, dice Ghoniem. “El sistema es más compacto, porque en el mismo lugar donde hacemos la separación, también quemamos. Así que estamos integrando todo, y estamos reduciendo la complejidad, la penalidad energética, y la penalidad económica de quemar oxígeno puro y producir un flujo de dióxido de carbono”.
El grupo está ahora probando el rendimiento del sistema a diversas temperaturas, presiones y condiciones de combustible usando su arreglo de laboratorio. También han diseñado un modelo cumputacional complejo para simular cómo el sistema funcionaría a mayor escala, en una planta de energía. Encontraron que el flujo de oxígeno a través de la membrana depende de la temperatura de la membrana: Mientras más alta es la temperatura en el lado de la combustión del sistema, más rápido el oxígeno fluye a través de la membrana, y más rápido se quema el combustible. También encontraron que aunque la temperatura del gas podría exceder lo que el material puede tolerar, el flujo de gas actúa para proteger la membrana.
“Estamos aprendiendo lo suficiente sobre el sistema que si deseamos escalarlo e implementarlo en una planta de energía, entonces es posible”, dice Ghoniem. “Estas son obviamente plantas de energía complicadas, que requieren componentes de mucha más alta tecnología, porque pueden hacer mucho más de lo que las plantas hacen ahora. Tenemos que mostrar que los [nuevos] diseños son duraderos, y entonces convencer a la industria a tomar estas ideas y usarlas”.
El trabajo de laboratorio y los modelos desarrollados en el grupo de Ghoniem harán posible el diseño de sistemas de combustión más grandes para plantas de megawatts.
Madhaba Syamlal, líder del area de ciencias computacionales y básicas en el Laboratorio Nacional de Tecnología Energética (National Energy Technology Laboratory), dice que las simulaciones como las de Ghoniem ayudarán a impulsar la próxima generación de tecnología como las membranas de separación de oxígeno en las plantas de energía. “Hemos visto que en otras áreas, como la aviación, simulaciones pueden realmente mejorar cómo el producto es desarrollado”, dice Syamlal. “Puedes usar simulaciones e incluso saltar algunos de las pruebas intermedias e ir directamente a diseñar y construir una máquina. En la industria energética, estas son las piezas que necesitamos para incrementar la escala muy rápidamente”.
El grupo de Ghoniem incluye al científico investigador Patrick Kirchen y a los estudiantes graduados James Hong y Anton Hunt, en colaboración con el maestro en la Universidad King Fahed del Petróleo y Minerales (KFUPM – King Fahed University of Petroleum and Minerals) en Arabia Saudita. La investigación fue patrocinada por KFUPM y la Universidad King Abdullah de Ciencia y Tecnología.
Reimpreso con permiso de MIT News.
Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)