El subdirector del Centro de Investigación del Carbón de la Universidad del Sur de Illinois se encuentra junto a un modelo de sistema de gasificación que separa pequeñas cantidades de carbón en gas de síntesis. Vea más imágenes de ciencia verde. Foto AP / Steve Jahnke Algunos de los más prometedores Las alternativas energéticas que llaman la atención no son ideas revolucionarias. Todos sabemos de molinos de viento y ruedas hidráulicas, que han existido durante siglos. Hoy dia, una variedad de mejoras, incluyendo diseños innovadores de turbinas, están transformando estas máquinas antiguas en tecnologías de vanguardia que pueden ayudar a las naciones a satisfacer sus necesidades energéticas.
Hay otro proceso antiguo, uno del que probablemente no sepa mucho, que está ganando popularidad y puede unirse a la energía eólica e hidroeléctrica en el panteón de la energía limpia, energía renovable. El proceso se conoce como gasificación , un conjunto de reacciones químicas que utiliza oxígeno limitado para convertir una materia prima que contiene carbono en un gas sintético , o syngas .
Suena a combustión pero no lo es. La combustión utiliza una gran cantidad de oxígeno para producir calor y luz al quemar. La gasificación utiliza solo una pequeña cantidad de oxígeno, que se combina con vapor y se cuece a presión intensa. Esto inicia una serie de reacciones que produce una mezcla gaseosa compuesta principalmente de monóxido de carbono e hidrógeno. Este gas de síntesis puede quemarse directamente o utilizarse como punto de partida para la fabricación de fertilizantes, hidrógeno puro, combustibles de transporte líquidos o metano.
Por extraño que parezca, La gasificación existe desde hace décadas. El ingeniero escocés William Murdoch recibe el crédito por desarrollar el proceso básico. A finales de la década de 1790, utilizando carbón como materia prima, produjo gas de síntesis en cantidad suficiente para iluminar su hogar. Finalmente, Las ciudades de Europa y América comenzaron a usar gas de síntesis, o "gas de la ciudad", como se le conocía entonces, para iluminar las calles y los hogares de las ciudades. Finalmente, El gas natural y la electricidad generados a partir de centrales eléctricas de carbón sustituyeron al gas urbano como fuente preferida de calor y luz.
Hoy dia, con una crisis climática global que se avecina en el horizonte y naciones hambrientas de poder en busca de fuentes de energía alternativas, la gasificación está regresando. El Consejo de Tecnologías de Gasificación espera que la capacidad mundial de gasificación crezca en más del 70 por ciento para 2015. Gran parte de ese crecimiento ocurrirá en Asia, impulsado por el rápido desarrollo en China y la India. Pero Estados Unidos está adoptando la gasificación, así como.
Echemos un vistazo más de cerca a cómo funciona este proceso. Empezaremos con la gasificación del carbón, la forma más común del proceso.
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Un Tiverton, RHODE ISLAND., El residente posa junto a un contenedor etiquetado como "Desechos de plantas de gas" en 2005. El estado cree que la contaminación del área fue causada por Fall River Gas Co. que arrojó desechos de gasificación de carbón durante décadas. Foto AP / Stew Milne El corazón de una central eléctrica de carbón es una caldera, en el que el carbón se quema por combustión para convertir el agua en vapor. La siguiente ecuación muestra cómo se ve el carbón ardiendo químicamente:C + O 2 -> CO 2 . El carbón no está hecho de carbono puro, pero de carbono unido a muchos otros elementos. Todavía, el contenido de carbono del carbón es alto, y es el carbono el que se combina con el oxígeno en la combustión para producir dióxido de carbono, el principal culpable del calentamiento global. Otros subproductos de la combustión del carbón incluyen óxidos de azufre, oxido de nitrógeno, mercurio y materiales radiactivos naturales.
El corazón de una central eléctrica que incorpora gasificación no es una caldera, pero un gasificador , un recipiente de presión cilíndrico de unos 40 pies (12 metros) de alto por 13 pies (4 metros) de ancho. Las materias primas ingresan al gasificador por la parte superior, mientras que el vapor y el oxígeno entran desde abajo. Cualquier tipo de material que contenga carbono puede ser una materia prima, pero la gasificación del carbón, por supuesto, requiere carbón. Una planta de gasificación típica podría utilizar 16, 000 toneladas (14, 515 toneladas métricas) de lignito, un tipo de carbón pardusco, diario.
Un gasificador opera a temperaturas y presiones más altas que una caldera de carbón:aproximadamente 2, 600 grados Fahrenheit (1, 427 grados Celsius) y 1, 000 libras por pulgada cuadrada (6, 895 kilopascales), respectivamente. Esto hace que el carbón experimente diferentes reacciones químicas. Primero, La oxidación parcial del carbono del carbón libera calor que ayuda a alimentar las reacciones de gasificación. El primero de estos es pirólisis , que ocurre cuando la materia volátil del carbón se degrada en varios gases, dejando atrás carbonizarse , una sustancia similar al carbón. Luego, Las reacciones de reducción transforman el carbono restante en el carbón en una mezcla gaseosa conocida como syngas .
El monóxido de carbono y el hidrógeno son los dos componentes principales del gas de síntesis. Durante un proceso conocido como limpieza de gas , el gas de síntesis crudo pasa a través de una cámara de enfriamiento que se puede utilizar para separar los diversos componentes. La limpieza puede eliminar impurezas dañinas, incluido el azufre, mercurio y carbono no convertido. Incluso el dióxido de carbono puede extraerse del gas y almacenarse bajo tierra o usarse en la producción de amoníaco o metanol.
Que deja hidrógeno puro y monóxido de carbono, que se puede quemar limpiamente en turbinas de gas para producir electricidad. O, Algunas centrales eléctricas convierten el gas de síntesis en gas natural pasando el gas limpio por un catalizador de níquel. provocando que el monóxido de carbono y el dióxido de carbono reaccionen con el hidrógeno libre para formar metano. Este "gas natural sustituto" se comporta como el gas natural normal y se puede utilizar para generar electricidad o calentar hogares y negocios.
Pero si el carbón no está disponible, la gasificación todavía es posible. Todo lo que necesitas es un poco de madera.
Segundos de SyngasAunque la industria de la energía eléctrica se ha interesado recientemente en la gasificación, la química, Las industrias de refinación y fertilizantes han estado utilizando el proceso durante décadas. Esto se debe a que los componentes principales del gas de síntesis, el hidrógeno y el monóxido de carbono, son los componentes básicos de varios otros productos. Algunos de los productos más importantes derivados del gas de síntesis incluyen metanol, fertilizantes a base de nitrógeno e hidrógeno para el refino de petróleo y combustibles para el transporte. Incluso escoria , un subproducto similar al vidrio del proceso de gasificación, se puede utilizar en materiales para techos o como material de calzada.
La gasificación del carbón a veces se denomina "carbón limpio" porque puede usarse para generar electricidad sin eructar toxinas y dióxido de carbono a la atmósfera. Pero todavía se basa en un combustible fósil no renovable. Y todavía requiere operaciones mineras que marcan la Tierra y dejan sus propios desechos tóxicos. Gasificación de madera - o gasificación de biomasa , para ser más técnicamente correcto, puede proporcionar una alternativa viable. La biomasa se considera una fuente de energía renovable porque está hecha de materiales orgánicos, como árboles, cultivos e incluso basura.
La gasificación de biomasa funciona igual que la gasificación del carbón:una materia prima entra en un gasificador, que cuece el material que contiene carbono en un ambiente con poco oxígeno para producir gas de síntesis. Las materias primas generalmente se dividen en una de cuatro categorías:
La elección de la materia prima determina el diseño del gasificador. Tres diseños son comunes en la gasificación de biomasa:corriente ascendente, Downdraft y crossdraft. En un gasificador de corriente ascendente , la madera entra en la cámara de gasificación desde arriba, cae sobre una rejilla y forma una pila de combustible. El aire entra por debajo de la rejilla y fluye hacia arriba a través de la pila de combustible. El gas de síntesis también conocido como gas pobre en círculos de biomasa, sale por la parte superior de la cámara. En corriente descendente o gasificadores de tiro cruzado , el aire y el gas de síntesis pueden entrar y salir en diferentes lugares.
La elección del diseño del combustible y del gasificador afecta las proporciones relativas de compuestos en el gas de síntesis. Por ejemplo, La paja de trigo colocada en un gasificador de corriente descendente produce lo siguiente:
Pero el carbón vegetal colocado en un gasificador de corriente descendente produce lo siguiente:
[fuente:Rajvanshi].
Ahora está listo para hacer su propio gasificador de madera. Sigue haciendo clic para ver cómo.
Mejor kilometraje de gas (ificación)Por extraño que parezca, Uno de los principales usos de la gasificación de la madera ha sido la alimentación de motores de combustión interna. Antes de 1940, Ocasionalmente se vieron coches propulsados por gasificación, especialmente en Europa. Luego, Durante la Segunda Guerra Mundial, La escasez de petróleo obligó a la gente a pensar en alternativas. Las industrias del transporte de Europa occidental se basaron en la gasificación de la madera para impulsar los vehículos y garantizar que los alimentos y otros materiales importantes llegaran a los consumidores. Después de la guerra, a medida que el gas y el petróleo se volvieron ampliamente disponibles, la gasificación se olvidó en gran medida. Una futura escasez de petróleo, sin embargo, puede revitalizar nuestro interés en esta vieja tecnología. El conductor del automóvil del futuro puede pedir "llenarlo" con algunos palos de madera en lugar de unos pocos galones de gasolina.
¿El futuro depara mucha más energía de gasificadores como éste? Phillip Spears / Getty Images Una cualidad atractiva de la gasificación es su escalabilidad. La central eléctrica de Polk, al sureste de Tampa, es una planta de gasificación que cubre 4, 300 acres (1, 740 hectáreas). Convierte 100 toneladas (90,7 toneladas métricas) de carbón por hora en 250 millones de vatios de potencia durante aproximadamente 60, 000 hogares y negocios [fuente:Folger].
Pero no es necesario ser una empresa de servicios públicos gigante para experimentar con la gasificación. Puedes construir un sencillo pequeño gasificador con materiales que encuentres por la casa. YouTube presenta varios videos de estas unidades caseras. Un video, por ejemplo, muestra una lata de pintura que desempeña el papel de recipiente a presión en el que se producen las reacciones de gasificación. Como el gas de síntesis se produce dentro de la lata sellada, se mueve a través de unos simples accesorios de plomería hasta un quemador, donde se puede encender el gas.
Otro video interesante muestra a un pequeño equipo que ensambla y opera un gasificador de madera según los planes preparados por la Agencia Federal para el Manejo de Emergencias (FEMA) de los Estados Unidos y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. FEMA desarrolló estos planes en 1989 específicamente para la gasificación a pequeña escala en caso de una emergencia petrolera. El informe de la agencia incluye información detallada, instrucciones ilustradas para la fabricación, instalación y operación de un gasificador de biomasa de tiro descendente. (Se incluye un enlace al informe en la lista de fuentes en "Lafontaine" en la página siguiente). La unidad requiere un bote de basura de metal galvanizado, un pequeño tambor de metal, accesorios de plomería comunes y un tazón de mezcla de acero inoxidable y se puede montar en un vehículo para proporcionar gas de síntesis para combustión interna. Con el gasificador en su lugar, el vehículo puede funcionar de forma fiable utilizando astillas de madera u otra biomasa como combustible.
Si está interesado en la gasificación, pero no son del tipo "hágalo usted mismo", entonces es posible que desee considerar comprar una unidad de gasificación de un fabricante. Por ejemplo, New Horizon Corporation distribuye sistemas de gasificación que se pueden instalar en un entorno doméstico. Estas calderas de gasificación de biomasa pueden calentar casas, garajes y otros edificios y pueden usar una variedad de combustibles, incluida la madera curada, mazorcas de maíz, serrín, astillas de madera y cualquier tipo de pellet.
De cualquier manera, Es probable que la gasificación emerja como una de las alternativas energéticas más importantes en las próximas décadas. Es la forma más limpia de utilizar carbón, pero también trabaja de manera eficiente con fuentes de energía renovables, como la biomasa. Y, porque uno de los productos primarios de la gasificación es el hidrógeno, el proceso ofrece un trampolín para producir grandes cantidades de hidrógeno para pilas de combustible y combustibles más limpios.
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