Una Técnica Desarrollada Por El MIT Convierte Las Emisiones En Combustible

Investigadores del MIT convierten las emisiones en combustible

XiaoYu Wu fotografiado con el reactor que su equipo usó para la investigación.

Científicos de 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 método no solo puede reducir las emisiones de gases de efecto invernadero; también podría producir otra fuente de ingresos potencial para ayudar a sufragar sus costos.

El nuevo sistema basado en membranas fue desarrollado por el postdoctorado del MIT Xiao-Yu Wu y Ahmed Ghoniem, profesor de Ingeniería Mecánica Ronald C. Crane, y se describe en un artículo de 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 hacia el otro lado, dejando atrás el monóxido de carbono. Otros compuestos, conocidos como conductores electrónicos iónicos mixtos, también se están considerando en su laboratorio para su uso en múltiples aplicaciones, incluida la producción de oxígeno e hidrógeno.

El monóxido de carbono producido durante este proceso se puede usar como combustible por sí mismo o combinado con hidrógeno y / o agua para producir muchos otros combustibles de hidrocarburos líquidos, así como productos químicos, incluido el metanol (usado como combustible para automóviles), gas de síntesis, etc. 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 aplica a la producción de electricidad podría reducir el impacto del uso de combustibles fósiles en el calentamiento global.

La membrana, con una estructura conocida como perovskita, es “100 por ciento selectiva para el oxígeno”, permitiendo que solo pasen esos átomos, explica Wu. La separación está impulsada por temperaturas de hasta 990 grados Celsius , y la clave para que el proceso funcione es mantener el oxígeno que se separa del dióxido de carbono fluyendo a través de la membrana hasta que llegue al otro lado. Esto podría hacerse creando un vacío en el lado de la membrana opuesto al flujo de dióxido de carbono, pero eso requeriría mucha energía para mantenerlo.

En lugar de vacío, los investigadores utilizan una corriente de combustible como hidrógeno o metano. Estos materiales se oxidan tan fácilmente que en realidad atraerán los átomos de oxígeno a través de la membrana sin requerir una diferencia de presión. La membrana también evita que el oxígeno regrese y se vuelva a combinar con el monóxido de carbono, para formar dióxido de carbono nuevamente. En última instancia, y dependiendo de la aplicación, se puede utilizar una combinación de algo de vacío y algo de combustible para reducir la energía necesaria para impulsar el proceso y producir un producto útil.

La entrada de energía necesaria para mantener el proceso en marcha, dice Wu, es el calor, que podría ser proporcionado por energía solar o por calor residual, parte del cual podría provenir de la propia planta de energía y otra de otras fuentes. Esencialmente, el proceso hace posible almacenar ese calor en forma química, para usarlo siempre que sea necesario. El almacenamiento de energía química tiene una densidad de energía muy alta (la cantidad de energía almacenada para un peso determinado de material) en comparación con muchas otras formas de almacenamiento.

En este punto, dice Wu, él y Ghoniem han demostrado que el proceso funciona. La investigación en curso está examinando cómo aumentar las tasas de flujo de oxígeno a través de la membrana, quizás cambiando el material utilizado para construir la membrana, cambiando la geometría de las superficies o agregando materiales catalizadores en las superficies. Los investigadores también están trabajando para integrar la membrana en reactores en funcionamiento y acoplar el reactor con el sistema de producción de combustible. Están examinando cómo se podría ampliar este método y cómo se compara con otros enfoques para capturar y convertir las emisiones de dióxido de carbono, en términos de costos y efectos en las operaciones generales de la central eléctrica.

En una planta de energía de gas natural en la que el grupo de Ghoniem y otros han trabajado anteriormente, Wu dice que el gas natural entrante podría dividirse en dos corrientes, una que se quemaría para generar electricidad mientras se produce una corriente pura de dióxido de carbono, mientras que la otra corriente iría al lado del combustible del nuevo sistema de membranas, proporcionando la fuente de combustible que reacciona con el oxígeno. Esa corriente produciría una segunda salida de la planta, una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono conocida como gas de síntesis, que es un combustible y materia prima industrial ampliamente utilizado. El gas de síntesis también se puede agregar a la red de distribución de gas natural existente.

Por tanto, el método no solo puede reducir las emisiones de gases de efecto invernadero; también podría producir otra fuente de ingresos potencial para ayudar a sufragar sus costos.

El proceso puede funcionar con cualquier nivel de concentración de dióxido de carbono, dice Wu, lo han probado desde el 2 por ciento hasta el 99 por ciento, pero cuanto mayor es la concentración, más eficiente es el proceso. Por lo tanto, se adapta bien a la corriente de salida concentrada de las centrales eléctricas convencionales que queman combustibles fósiles o las diseñadas para la captura de carbono, como las plantas de oxicombustión.

“Es importante utilizar dióxido de carbono para producir monóxido de carbono para la conversión de energías térmicas sostenibles en energía química”, dice Xuefeng Zhu, profesor de física química en la Academia de Ciencias de China, en Dalian, China, que no participó en este trabajo. “El uso de una membrana permeable al oxígeno puede reducir significativamente la temperatura de reacción, de 1.500 C a menos de 1.000 C, lo que indica un gran ahorro de energía en comparación con el proceso tradicional de descomposición de dióxido de carbono”, dice. “Creo que su trabajo es importante para el campo de la energía sostenible y los procesos de membrana”.

La investigación fue financiada por Shell Oil y la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah.

Publicación: Xiao-Yu Wu y Ahmed F. Ghoniem, “Reducción termoquímica de CO2 asistida por H2 en membranas La0.9Ca0.1FeO3-δ: un estudio cinético”, ChemSusChem, 2017; DOI: 10.1002 / cssc.201701372

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