Investigadores del MIT han desarrollado un nuevo proceso para convertir el dióxido de carbono en un material llamado formiato, que puede utilizarse como el hidrógeno o el metanol para generar electricidad.
El proceso de conversión es eficiente y económico, ya que utiliza un catalizador para convertir el dióxido de carbono y el agua en formiato, que puede almacenarse durante largos periodos de tiempo.
En todo el mundo se busca la manera de extraer el dióxido de carbono del aire o de los gases de escape de las centrales eléctricas y luego transformarlo en algo útil. Una de las ideas más prometedoras consiste en convertirlo en un combustible estable que pueda sustituir a los combustibles fósiles en algunas aplicaciones. Sin embargo, la mayoría de estos procesos de conversión han presentado problemas de baja eficiencia de carbono o producen combustibles difíciles de manejar, tóxicos o inflamables.
Ahora, investigadores del MIT y de la Universidad de Harvard han desarrollado un proceso eficiente que puede convertir el dióxido de carbono en formiato, un material líquido o sólido que puede utilizarse como el hidrógeno o el metanol para alimentar una pila de combustible y generar electricidad. El formiato de potasio o de sodio, que ya se produce a escala industrial y que se utiliza habitualmente como descongelante para carreteras y aceras, no es tóxico ni inflamable, es fácil de almacenar y transportar, y puede mantenerse estable en tanques de acero comunes para su uso meses e incluso años después de su producción.
El nuevo proceso, desarrollado por los estudiantes de doctorado del MIT Zhen Zhang, Zhichu Ren y Alexander H. Quinn; el estudiante de doctorado de la Universidad de Harvard Dawei Xi; y el profesor del MIT Ju Li, se describe esta semana en un artículo de acceso abierto publicado en Cell Reports Physical Science. Todo el proceso, que incluye la captura y la conversión electroquímica del gas en un polvo sólido de formiato, que después se utiliza en una pila de combustible para producir electricidad, se demostró a pequeña escala de laboratorio. No obstante, los investigadores prevén que sea escalable, de modo que podría proporcionar calor y energía sin emisiones a hogares individuales e incluso utilizarse en aplicaciones industriales o a escala de red.
Otros enfoques para convertir el dióxido de carbono en combustible, explica Li, suelen implicar un proceso de dos etapas: primero el gas se captura químicamente y se transforma en una forma sólida como carbonato de calcio; después, este material se calienta para liberar el dióxido de carbono y convertirlo en una materia prima de combustible, como el monóxido de carbono. Este segundo paso tiene una eficiencia muy baja, pues normalmente convierte menos del 20 por ciento del dióxido de carbono gaseoso en el producto deseado, afirma Li.
En cambio, el nuevo proceso logra una conversión muy superior al 90 por ciento y elimina la necesidad de la ineficiente etapa de calentamiento, al convertir primero el dióxido de carbono en una forma intermedia, el bicarbonato metálico líquido. Ese líquido se transforma después electroquímicamente en formiato de potasio o de sodio líquido, en un electrolizador que utiliza electricidad de bajas emisiones de carbono, por ejemplo nuclear, eólica o solar. La solución de formiato de potasio o de sodio líquido altamente concentrada que se produce puede secarse después, por ejemplo mediante evaporación solar, para obtener un polvo sólido muy estable que puede almacenarse en tanques de acero comunes durante hasta años o incluso décadas, afirma Li.
Según explica Li, quien tiene nombramientos conjuntos en los departamentos de Ciencia e Ingeniería Nuclear y de Ciencia e Ingeniería de Materiales, varios pasos de optimización desarrollados por el equipo marcaron toda la diferencia al convertir un proceso químico de conversión ineficiente en una solución práctica.
El proceso de captura y conversión del carbono comienza con una captura basada en una solución alcalina, que concentra el dióxido de carbono procedente de corrientes concentradas, como las emisiones de las centrales eléctricas, o de fuentes de muy baja concentración, incluso del aire libre, y lo convierte en una solución líquida de bicarbonato metálico. Después, mediante un electrolizador de membrana de intercambio catiónico, este bicarbonato se convierte electroquímicamente en cristales sólidos de formiato con una eficiencia de carbono superior al 96 por ciento, como confirmaron los experimentos a escala de laboratorio del equipo.
Estos cristales tienen una vida útil indefinida, ya que son tan estables que podrían almacenarse durante años o incluso décadas con una pérdida mínima o nula. En comparación, incluso los mejores tanques prácticos de almacenamiento de hidrógeno disponibles dejan escapar el gas a un ritmo de alrededor del 1 por ciento diario, lo que impide cualquier uso que requiera almacenamiento durante todo un año, afirma Li. El metanol, otra alternativa muy estudiada para convertir el dióxido de carbono en un combustible utilizable en pilas de combustible, es una sustancia tóxica que no puede adaptarse fácilmente a situaciones en las que una fuga podría suponer un riesgo para la salud. El formiato, por el contrario, se utiliza ampliamente y se considera benigno según las normas nacionales de seguridad.
Varias mejoras explican la notable mejora de la eficiencia de este proceso. En primer lugar, un diseño cuidadoso de los materiales de la membrana y de su configuración supera un problema con el que habían tropezado los intentos anteriores de crear un sistema de este tipo: la acumulación de determinados subproductos químicos modifica el pH, lo que hace que el sistema pierda eficiencia de forma progresiva con el tiempo. «Tradicionalmente, es difícil lograr una conversión de las materias primas continua, estable y a largo plazo», afirma Zhang. «La clave de nuestro sistema es alcanzar un equilibrio de pH para una conversión en estado estacionario».
Para lograrlo, los investigadores llevaron a cabo un modelado termodinámico con el fin de diseñar el nuevo proceso de manera que esté químicamente equilibrado y el pH se mantenga en un estado estacionario, sin cambios de acidez a lo largo del tiempo. Por ello, puede seguir funcionando de forma eficiente durante largos periodos. En sus pruebas, el sistema funcionó durante más de 200 horas sin una disminución significativa de la producción. Todo el proceso puede realizarse a temperaturas ambiente y presiones relativamente bajas (unas cinco veces la presión atmosférica).
Otro problema era que las reacciones secundarias no deseadas producían otros productos químicos que no eran útiles, pero el equipo encontró la manera de evitarlas mediante la introducción de una capa adicional de «amortiguación» de lana de fibra de vidrio enriquecida con bicarbonato, que bloqueaba estas reacciones.
El equipo también construyó una pila de combustible optimizada específicamente para el uso de este combustible de formiato con el fin de producir electricidad. Las partículas de formiato almacenadas se disuelven simplemente en agua y se bombean a la pila de combustible según sea necesario. Aunque el combustible sólido es mucho más pesado que el hidrógeno puro, si se tienen en cuenta el peso y el volumen de los tanques de gas a alta presión necesarios para almacenar hidrógeno, el resultado final es una producción de electricidad casi equivalente para un volumen de almacenamiento determinado, afirma Li.
El combustible de formiato puede adaptarse potencialmente desde unidades de tamaño doméstico hasta usos industriales de gran escala o sistemas de almacenamiento a escala de red, según explican los investigadores. Las primeras aplicaciones domésticas podrían incluir un electrolizador de aproximadamente el tamaño de un frigorífico para capturar y convertir el dióxido de carbono en formiato, que podría almacenarse en un depósito subterráneo o en la azotea. Después, cuando sea necesario, el sólido en polvo se mezclaría con agua y se alimentaría a una pila de combustible para proporcionar energía y calor. «Esto es para demostraciones en comunidades u hogares», afirma Zhang, «pero creemos que en el futuro también podría ser útil para fábricas o para la red».
«La economía del formiato es un concepto interesante, porque las sales de formiato metálico son muy benignas y estables, y un portador de energía muy convincente», afirma Ted Sargent, catedrático de química y de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad Northwestern, quien no participó en este trabajo. «Los autores han demostrado una mayor eficiencia en la conversión de líquido a líquido, desde la materia prima de bicarbonato hasta el formiato, y han demostrado que estos combustibles pueden utilizarse posteriormente para producir electricidad», afirma.
El trabajo contó con el apoyo de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos.
