La actividad humana está produciendo ahora el equivalente a 40 mil millones de toneladas de dióxido de carbono emitidas a la atmósfera cada año. lo que nos encamina a aumentar la temperatura del planeta en 1,5 grados Celsius por encima de los niveles preindustriales para 2040. Según el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC), debemos limitar el calentamiento global a 1,5 grados centígrados para evitar los impactos más peligrosos del cambio climático.

Cada vez más, Los científicos están reconociendo que las tecnologías de emisiones negativas (TNE) para eliminar y secuestrar el dióxido de carbono de la atmósfera serán un componente esencial en la estrategia para mitigar el cambio climático. Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Laboratorio de Berkeley), un laboratorio de investigación multidisciplinario del Departamento de Energía, está desarrollando una cartera de tecnologías de emisiones negativas e investigación relacionada. Estos van desde el secuestro geológico y terrestre, a la conversión a bioproductos, a reactores térmicos para combustibles de hidrógeno.

Una tecnología prometedora en desarrollo para los NET es la captura de carbono utilizando un material llamado MOF, o estructura organometálica. Jeffrey Long, un científico senior en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y también profesor en la Facultad de Química de UC Berkeley, ha estado trabajando con este material único durante varios años.

P. ¿Qué es un MOF y qué papel puede desempeñar en la reducción de CO ₂ emisiones?

Un MOF, o estructura organometálica, es un tipo de material sólido que es muy poroso y se comporta como una esponja, capaz de absorber grandes cantidades de una molécula de gas específica, como el dióxido de carbono. Han existido alrededor de 20 años, y ha habido una explosión en la investigación durante la última década a medida que los científicos encuentran cada vez más aplicaciones prácticas. Lo que distingue a los MOF es que tienen áreas de superficie interna extremadamente altas. Solo un gramo de MOF, una cantidad similar a un terrón de azúcar, Puede tener una superficie mayor que un campo de fútbol. Como consecuencia, si está diseñado correctamente, una pequeña cantidad de MOF puede eliminar una enorme cantidad de CO ₂ de los gases de escape producidos por la combustión de combustibles fósiles.

Hicimos un descubrimiento fortuito hace unos años de que ciertos MOF pueden capturar dióxido de carbono a través de un mecanismo similar a un interruptor sin precedentes. Optimizamos aún más el material para una eliminación eficiente de CO ₂ desde el conducto de una central eléctrica antes de que el gas entre a la atmósfera. Demostramos que la captura y liberación de dióxido de carbono del MOF podría lograrse utilizando cambios de temperatura mucho más pequeños que los requeridos para otras tecnologías. dándole una gran ventaja sobre las formas convencionales de capturar CO ₂ . (El CO adsorbido ₂ luego se puede utilizar en otros productos). Esta estrategia elimina la necesidad de desviar vapor a alta temperatura lejos de la producción de energía, evitando un gran aumento en el costo de la electricidad. En el curso de estos esfuerzos, También mostramos que las variantes de los MOF podrían ser eficientes para la eliminación de CO ₂ de otras mezclas de gases, incluido el biogás, gas natural, e incluso directamente desde el aire.

Para la captura de aire directa, Los MOF son la mejor manera que tenemos de hacerlo que veo. Para la parte de captura de carbono de BECCS (o bioenergía con captura y almacenamiento de carbono, una tecnología emergente de emisiones negativas), donde esencialmente estás cultivando árboles o cultivos, quemándolos para obtener combustible, luego capturando y secuestrando ese CO ₂ , Creo que los MOF también podrían hacer la parte de captura mejor que cualquier otro material.

P. Eso suena muy prometedor. ¿Cuál es el estado actual de esta tecnología? ¿Se está utilizando comercialmente?

Una empresa de nueva creación llamada Mosaic Materials (en la que tengo un interés financiero) se formó en 2014 para perseguir la producción comercial de MOF para varios CO ₂ procesos de separación. En Berkeley Lab estamos liderando un proyecto financiado a través del Laboratorio Nacional de Tecnología Energética (NETL) en el que estamos trabajando con Mosaic Materials y una empresa de ingeniería canadiense llamada Svante para llevar a cabo una demostración piloto para los gases de combustión de una central eléctrica de carbón.

Aquí, El uso del MOF en un sistema de lecho giratorio único puede lograr tiempos de ciclo de captura y liberación rápidos y un consumo de energía reducido. Por último, Se prevé que el despliegue comercial generalizado de dicha tecnología podría resultar en una reducción drástica del costo y la energía asociados con la captura de carbono. ya que necesariamente se implementa en todo el mundo.

En otra parte, Los MOF se utilizan comercialmente para el almacenamiento seguro de otros gases peligrosos. Para la captura de CO2, Yo diría que ahora están cerca de estar listos para el despliegue comercial.

P. Si ese es el caso, Entonces, ¿qué más investigación sobre los MOF se necesita?

Necesitamos reducir drásticamente el costo de la captura directa de aire. Es muy caro hacerlo ahora. Hay empresas que ya lo están haciendo:construyen unidades con ventiladores que hacen pasar aire a través de dispositivos que contienen materiales porosos, pero los materiales en uso no son muy efectivos. haciendo que las unidades sean extremadamente caras de operar. El costo de eliminar el CO ₂ con una tecnología de este tipo está actualmente en el orden de $ 500 a $ 1, 000 por tonelada. Necesitamos diseñar materiales de mayor rendimiento para ayudar a reducir el costo por debajo de $ 100 por tonelada.

El problema principal detrás de este alto costo es la cantidad de energía requerida para regenerar el adsorbente, es decir, para liberar el CO ₂ en forma pura para que el material se pueda volver a utilizar para capturar más CO ₂ . Aquí, Creemos que el mecanismo de adsorción cooperativa accesible en los MOF podría reducir significativamente los requisitos de calor y vacío para la regeneración.

Otra consideración, aunque, es la energía necesaria para soplar aire. Si entra una corriente de aire, eso es 410 partes por millón de CO ₂ , Una de las dificultades es que la mayoría de los materiales pueden eliminar una pequeña cantidad de eso y reducir el CO ₂ concentración para, decir, 300 ppm, capturando el 25% del CO ₂ . Eso es lo que se llama tasa de captura. Y luego para capturar más básicamente tienes que hacer fluir más aire a través del material para llenarlo.

Pero con una tasa de captura de decir, 90% podrías bajar el CO ₂ concentración a 40 partes por millón con una sola pasada. Eso significa que está soplando mucho menos aire para eliminar el CO ₂ y por tanto ahorrando energía.

Uno de nuestros objetivos de investigación es desarrollar materiales que tengan una alta capacidad, una alta tasa de captura, cinética rápida para CO ₂ adsorción, y una temperatura de regeneración baja, al mismo tiempo que limita la coadsorción de agua para que no desperdicie energía en su desorción si no es necesario. La cinética significa qué tan rápido el CO ₂ es absorbido por el material.

Creo que hay un camino para llegar a menos de $ 100 por tonelada de CO ₂ eliminado del aire. Todavía se necesita mucha investigación para llegar allí. Necesitamos repensar realmente algunas de las formas en que se diseñan los materiales y entender cómo manipular cosas como delta-S (entropía) para CO ₂ adsorción, para que se requiera menos calor para el CO ₂ liberación.