Investigadores del MIT han desarrollado un nuevo sistema que podría utilizarse para convertir las emisiones de dióxido de carbono de las centrales eléctricas en combustibles útiles para automóviles, camiones y aviones, así como en materias primas químicas para una amplia variedad de productos.
El nuevo sistema basado en membranas fue desarrollado por Xiao-Yu Wu, investigador posdoctoral del MIT, y Ahmed Ghoniem, profesor Ronald C. Crane de Ingeniería Mecánica, y se describe en un artículo publicado en la revista ChemSusChem. La membrana, hecha de un compuesto de lantano, calcio y óxido de hierro, permite que el oxígeno de una corriente de dióxido de carbono migre al otro lado, dejando atrás monóxido de carbono. En su laboratorio también se están considerando otros compuestos, conocidos como conductores iónicos y electrónicos mixtos, para utilizarlos en diversas aplicaciones, incluida la producción de oxígeno e hidrógeno.
El monóxido de carbono producido durante este proceso puede utilizarse como combustible por sí solo o combinarse con hidrógeno y/o agua para fabricar muchos otros combustibles líquidos de hidrocarburos, así como sustancias químicas como metanol (utilizado como combustible para automóviles), gas de síntesis y otros. El laboratorio de Ghoniem está explorando algunas de estas opciones. Este proceso podría convertirse en parte del conjunto de tecnologías conocidas como captura, utilización y almacenamiento de carbono, o CCUS, que, si se aplicara a la producción de electricidad, podría reducir el impacto del uso de combustibles fósiles en el calentamiento global.
Wu explica que la membrana, cuya estructura se conoce como perovskita, es «100 % selectiva para el oxígeno» y permite el paso únicamente de esos átomos. La separación se lleva a cabo a temperaturas de hasta 990 grados Celsius, y la clave para que el proceso funcione es mantener el flujo de oxígeno que se separa del dióxido de carbono a través de la membrana hasta que llegue al otro lado. Esto podría lograrse creando un vacío en el lado de la membrana opuesto a la corriente de dióxido de carbono, pero mantenerlo requeriría mucha energía.
En lugar de un vacío, los investigadores utilizan una corriente de combustible, como hidrógeno o metano. Estos materiales se oxidan con tanta facilidad que atraen los átomos de oxígeno a través de la membrana sin necesidad de una diferencia de presión. La membrana también impide que el oxígeno vuelva a migrar y se recombine con el monóxido de carbono para formar dióxido de carbono de nuevo. En última instancia, y según la aplicación, puede utilizarse una combinación de algo de vacío y algo de combustible para reducir la energía necesaria para impulsar el proceso y producir un producto útil.
Wu señala que el aporte energético necesario para mantener el proceso en marcha es calor, que podría suministrarse mediante energía solar o calor residual, parte del cual podría proceder de la propia central eléctrica y parte de otras fuentes. En esencia, el proceso permite almacenar ese calor en forma química para utilizarlo cuando se necesite. El almacenamiento de energía química tiene una densidad energética muy alta —la cantidad de energía almacenada para un peso determinado de material— en comparación con muchas otras formas de almacenamiento.
Wu afirma que, hasta el momento, él y Ghoniem han demostrado que el proceso funciona. La investigación en curso estudia cómo aumentar los caudales de oxígeno a través de la membrana, quizá cambiando el material con que se fabrica, modificando la geometría de las superficies o añadiendo materiales catalizadores en ellas. Los investigadores también trabajan en la integración de la membrana en reactores operativos y en el acoplamiento del reactor con el sistema de producción de combustible. Estudian cómo podría ampliarse este método y cómo se compara con otros enfoques para capturar y convertir las emisiones de dióxido de carbono, tanto en términos de costos como de efectos en las operaciones generales de la central eléctrica.
Wu señala que, en una central eléctrica de gas natural en la que el grupo de Ghoniem y otros han trabajado anteriormente, el gas natural entrante podría dividirse en dos corrientes: una se quemaría para generar electricidad y producir una corriente pura de dióxido de carbono, mientras que la otra se dirigiría al lado de combustible del nuevo sistema de membrana, proporcionando la fuente de combustible que reacciona con el oxígeno. Esa corriente produciría una segunda salida de la central: una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono conocida como gas de síntesis, que es un combustible y una materia prima de uso generalizado en la industria. El gas de síntesis también puede incorporarse a la red existente de distribución de gas natural.
Por tanto, este método podría no solo reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, sino también generar otra posible fuente de ingresos que ayude a compensar sus costos.
Wu afirma que el proceso puede funcionar con cualquier nivel de concentración de dióxido de carbono —lo han probado desde el 2 % hasta el 99 %—, pero cuanto mayor es la concentración, más eficiente es el proceso. Por ello, resulta adecuado para la corriente de salida concentrada de las centrales eléctricas convencionales que queman combustibles fósiles o de aquellas diseñadas para capturar carbono, como las plantas de oxicombustión.
«Es importante utilizar dióxido de carbono para producir monóxido de carbono y convertir energías térmicas sostenibles en energía química», afirma Xuefeng Zhu, profesor de física química de la Academia China de Ciencias, en Dalian (China), quien no participó en este trabajo. «El uso de una membrana permeable al oxígeno puede reducir considerablemente la temperatura de reacción, de 1.500 °C a menos de 1.000 °C, lo que supone un gran ahorro de energía en comparación con el proceso tradicional de descomposición del dióxido de carbono», afirma. «Creo que su trabajo es importante para el campo de la energía sostenible y los procesos con membranas».
