Centro de Investigación de Energía de la Universidad de Lehigh, que recientemente recibió tres proyectos con financiamiento estadounidense e internacional, está posicionada para ayudar a la industria energética a enfrentar el desafío de transformar la dependencia de los combustibles fósiles. Crédito:Universidad de Lehigh
El Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC) publicó un informe alarmante en octubre sobre lo que se necesitaría para limitar el aumento de las temperaturas globales a 1,5 ° C por encima de los niveles preindustriales. Alcanzar este objetivo ha motivado a los países a comenzar a desarrollar y ejecutar planes para la descarbonización de su generación de energía y matriz energética, así como otras opciones, como la eliminación de CO 2 fuera de la atmósfera misma.
Las consecuencias de la respuesta de la sociedad a esta amenaza, no hace falta decir que, son espantosos.
"No hay duda de que la propuesta actual de los combustibles fósiles como fuente de energía primaria del mundo debe transformarse, "dice el Dr. Carlos Romero del Centro de Investigación Energética (ERC) de la Universidad de Lehigh, "pero hacerlo es una empresa global masiva que no sucederá de la noche a la mañana. Como ejemplo, en la actualidad, Estados Unidos obtiene alrededor del 70 por ciento de su energía total del carbón, petróleo, y gas natural. ¿Cómo hacemos la transición? y comprender las ramificaciones de las decisiones tomadas a lo largo del camino, Es crucial."
"Hasta que las energías renovables estén completamente establecidas, "prosigue Romero, quien también está afiliado al nuevo Instituto de Infraestructura Cibernética Física y Energía de Lehigh (I-CPIE), "Aún será necesario satisfacer la demanda mundial de energía y energía. Es imperativo que sigamos desarrollando formas innovadoras de administrar las centrales eléctricas tradicionales de manera confiable, limpiamente, y de la forma más eficiente posible, al mismo tiempo que se desarrollan fuentes de energía alternativas rentables ".
Romero ha realizado investigaciones en nombre del ERC durante casi 25 años y se desempeñó como su director durante los últimos cinco. Desde 1972, el ERC ha proporcionado apoyo de investigación e ingeniería a la industria de generación de energía, Apoyando la colaboración entre los investigadores de Lehigh y los gobiernos federales centrados en la energía, estado, y agencias locales, negocios desarrolladores y proveedores de tecnología, así como comunidades académicas y de investigación asociadas en los Estados Unidos y en el extranjero.
Según el Dr. Richard Sause, Director de I-CPIE y profesor Joseph T. Stuart de Ingeniería Estructural en Lehigh, el ERC está posicionado para ayudar a la industria energética a enfrentar el desafío de transformar la dependencia de los combustibles fósiles.
"Apoyar el desarrollo de nuevas tecnologías y enfoques en este espacio es fundamental para la misión de nuestro Instituto, "dice Sause." Sin embargo, la realidad es que la adopción de tal innovación a nivel global, La escala de fuerza industrial no sucederá de la noche a la mañana. El ERC cuenta con casi cinco décadas de profundo compromiso en la industria de generación de energía eléctrica, desempeñando un papel valioso en el trabajo de Lehigh en este campo y actuando como un conducto de conocimiento y percepción cruciales. El ERC seguirá teniendo un impacto significativo, ahora y en el futuro, a medida que hacemos la transición de los combustibles fósiles ".
Sause señala la investigación del ERC y un grupo de profesores que trabajan en el almacenamiento de energía térmica a temperatura ultra alta como un ejemplo de colaboración dentro de I-CPIE. Esta investigación ayudará a los activos convencionales de combustión fósil a operar de manera más eficiente en un nuevo entorno de despacho. él dice, al mismo tiempo que contribuye al establecimiento de la energía solar como una fuente confiable de energía renovable.
Romero cree que tres proyectos ERC anunciados recientemente, dos apoyados por el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), el otro por el Banco Mundial y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México y su Secretaría de Energía, dan fe de la importancia del trabajo continuo del ERC.
Captura de carbono más inteligente
En tres años Proyecto de $ 2.3 millones apoyado por el gobierno de México y el Banco Mundial, Lehigh se asociará con el Instituto Mexicano de Electricidad y Energías Limpias (INEEL, por sus siglas en español) para estudiar el uso de una fuente de energía renovable, la energía solar térmica, para mejorar el rendimiento del CO 2 sistemas de captura instalados en centrales eléctricas de ciclo combinado de gas natural (NGCC). México tiene una gran cantidad de NGCC para la generación de energía. Aunque las centrales eléctricas de NGCC tienen una menor intensidad de carbono que las centrales de carbón, una parte de estas plantas requerirá CO 2 capturar tecnologías para cumplir con las metas de emisión de gases de efecto invernadero (GEI) de México establecidas por la Ley de Cambio Climático. El país se ha comprometido a reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero en un 50 por ciento por debajo de los niveles de 2000 para 2050.
Este proyecto es parte de un gran consorcio interinstitucional de $ 90 millones diseñado para promover la captura de carbono, utilización, y almacenamiento (CCUS) en México. Según la Agencia Internacional de Energía, CCUS puede contribuir potencialmente a la mitigación de aproximadamente el 12 por ciento de las emisiones acumuladas de efecto invernadero necesarias para alcanzar el objetivo global de temperatura máxima de 1,5 ° C para 2050. El consorcio incluye participantes internacionales de la comunidad de investigación, academia, e industria y apoyará el desarrollo de un grupo de proyectos, incluyendo un proyecto de planta piloto de captura de carbono y un CO 2 -proyecto de recuperación de petróleo mejorada.
El equipo de Lehigh para este proyecto incluye a Romero, Dr. Hugo Caram, Dr. Sudhakar Neti, Dr. Joshua Charles, Dr. Xingchao Wang, y estudiantes de posgrado.
"Una de las tecnologías más prometedoras para capturar el dióxido de carbono de las centrales eléctricas de combustión fósil es el uso de disolventes químicos o aminas para capturar el CO 2 en una solución, "Romero dice." Sin embargo, no es práctico intentar secuestrar todo el CO 2 -corriente cargada. El co 2 debe extraerse de nuevo, y de manera óptima, el disolvente se puede regenerar para uso futuro ".
Según Caram, un profesor de ingeniería química, el proceso de esta extracción de CO 2 de amina requiere una cantidad asombrosa de calor, una que conduciría a una gran reducción en la eficiencia del ciclo de la planta y en la producción total de energía.
"El calor utilizado para extraer el CO capturado 2 de la amina normalmente se 'sangra' del vapor utilizado para hacer girar las turbinas de la planta, "explica Neti, profesor emérito de ingeniería mecánica y mecánica. "Proponemos utilizar energía solar térmica, en lugar de desperdiciar esencialmente una parte de la energía de vapor destinada a la generación de energía. Nuestros objetivos principales en el proyecto son seleccionar la tecnología solar más adecuada para esta aplicación, diseñar el campo solar y acoplarlo con el CO 2 planta, y comprender cómo la variabilidad inherente de la energía solar impacta el proceso de CO 2 capturar."
Un 'ciclo de energía' más limpio
En otro nuevo proyecto más cerca de casa, Investigadores de ERC, incluido el Dr. Alp Oztekin, Zheng Yao, Romero, y estudiantes de posgrado, están trabajando con colegas de Western Kentucky University, con el apoyo de la Oficina de Energía Fósil del DOE, analizar el impacto del "ciclo" en los procesos de tratamiento de aguas residuales de diferentes centrales eléctricas, incluyendo tecnologías físico-químicas y biológicas.
Titulado "Impacto de la configuración y operación de la planta de energía a carbón en el contaminante y las condiciones de los efluentes de la planta, "estos $ 400, 000 analiza el impacto en el proceso de tratamiento de aguas residuales cuando las centrales eléctricas de carbón se involucran en operaciones de ciclo.
Con el advenimiento de la competencia de fuentes de energía renovable, que ha introducido una demanda de generación de energía flexible, los operadores de plantas de energía se han visto obligados a reciclar unidades envejecidas que originalmente fueron diseñadas para funcionar en condiciones de carga base.
El equipo colaborará con plantas de energía en Virginia, Illinois, y Dakota del Norte para obtener datos operativos y muestras de materiales para caracterizar el impacto de la operación de ciclismo en los trenes de tratamiento de aguas residuales. DOE está particularmente interesado en las emisiones de mercurio, arsénico, selenio, bromuro, y nitratos / nitritos en el efluente de descarga.
"Cada vez que una planta de energía pasa de la carga máxima a la mínima, todos sus componentes pasan por tensiones inevitablemente grandes, que causan problemas que acortan la vida de las plantas, "dice Oztekin, profesor de ingeniería mecánica. "Dado que estas unidades no se diseñaron para circular, este estudio tiene como objetivo determinar el impacto de este ciclo en la eficiencia del rendimiento y la economía del proceso de tratamiento de aguas residuales ".
Este tipo de análisis es vital, dice Yao, porque ayudaría a evaluar cómo las emisiones finales de los elementos tóxicos objetivo responden a la operación de ciclo y el costo asociado con ella.
'Limpiar' el carbón de manera más eficiente
Un tercer proyecto anunciado recientemente, también relacionado con la reducción de contaminantes del carbón, es un esfuerzo de asociación financiado a través del programa DOE Small Business Innovation Research (SBIR), que permite a las pequeñas empresas satisfacer las necesidades federales de investigación y desarrollo.
Los investigadores de ERC participarán en un proyecto de fase II de un millón de dólares con Advanced Cooling Technologies, Inc. (ACT), de Lancaster, Pensilvania. La empresa está aplicando tecnología de limpieza de carbón y ha desarrollado un reactor de lecho con chorro único que aumenta el rendimiento de la desorción térmica de mercurio. azufre, y elementos de tierras raras (REE). Los investigadores de ERC incluyen a Romero, Yao, y estudiantes de posgrado.
En la Fase 1, El diseño de lecho con chorro de ACT demostró una reducción del 65 por ciento del mercurio y del 28 por ciento del contenido de azufre en el carbón bituminoso. que duplicó la eficiencia de remoción en comparación con el lecho de pico cónico estándar. En la Fase II, Lehigh realizará investigación experimental y análisis de metales tóxicos y REE, y brindará apoyo sobre la cinética del proceso de desorción. ACT fabricará un reactor a escala piloto ampliado diseñado para eliminar los contaminantes del carbón a través de un proceso automatizado / continuo. así como investigar la economía de la aplicación de la tecnología.
"Existe una oportunidad a través de esta innovación para permitir que las centrales eléctricas de carbón utilicen carbón con un mayor contenido de mercurio mientras se obtienen ahorros de costos en comparación con los sistemas existentes de captura de mercurio después de la combustión, "dice Romero." La tecnología también podría extenderse a otras fuentes de residuos, como los residuos sólidos urbanos (RSU) y el cemento ".
