Esta animación muestra la configuración de flash de dos etapas, uno de varios procesos descritos en un nuevo estudio que detalla cómo EEMPA, un solvente desarrollado por el Pacific Northwest National Laboratory, puede capturar carbono de los gases de combustión emitidos por las centrales eléctricas. De izquierda a derecha, EEMPA (rojo) primero interactúa con los gases de combustión (negro), donde absorbe dióxido de carbono. Luego, como disolvente saturado (azul), EEMPA se despoja de dióxido de carbono en tanques de alta y baja presión. Finalmente, el disolvente extraído se vuelve a introducir en el absorbedor de dióxido de carbono, donde el proceso comienza de nuevo. Crédito:Michael Perkins | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
Como parte de un esfuerzo de investigación maratón para reducir el costo de la captura de carbono, Los químicos ahora han demostrado un método para capturar dióxido de carbono (CO 2 ) que reduce los costos en un 19 por ciento en comparación con la tecnología comercial actual. La nueva tecnología requiere un 17 por ciento menos de energía para realizar la misma tarea que sus contrapartes comerciales, superando las barreras que han impedido el uso industrial generalizado de otras formas de captura de carbono. Y se puede aplicar fácilmente en los sistemas de captura existentes.
En un estudio publicado en la edición de marzo de 2021 de Revista internacional de control de gases de efecto invernadero , investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía de EE. UU., junto con colaboradores de Fluor Corp. y el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica, describen las propiedades del solvente, conocido como EEMPA, que le permiten eludir las demandas energéticamente caras en que incurren los disolventes tradicionales.
"EEMPA tiene algunas cualidades prometedoras, "dijo el ingeniero químico Yuan Jiang, autor principal del estudio. "Puede capturar dióxido de carbono sin un alto contenido de agua, por lo que es pobre en agua, y es mucho menos viscoso que otros solventes pobres en agua ".
Los métodos de captura de carbono son diversos. Van desde aminas acuosas, los disolventes ricos en agua que pasan por las unidades de captura disponibles comercialmente en la actualidad, que Jiang utilizó como comparación industrial, con membranas energéticamente eficientes que filtran CO 2 de los gases de combustión emitidos por las centrales eléctricas.
CO atmosférico actual 2 los niveles se han disparado más alto en los últimos años que en cualquier punto dentro de los últimos 800, 000 años, ya que en 2019 se alcanzó un nuevo récord de 409,8 partes por millón. CO 2 se libera principalmente a través de actividades humanas como la combustión de combustibles fósiles, y las concentraciones atmosféricas actuales superan los niveles preindustriales en un 47 por ciento.
A un costo de $ 400 a $ 500 millones por unidad, La tecnología comercial puede capturar carbono a aproximadamente $ 58.30 por tonelada métrica de CO 2 , según un análisis del DOE. EEMPA, según el estudio de Jiang, puede absorber CO 2 de los gases de combustión de la central eléctrica y luego liberarlos como CO puro 2 por tan solo $ 47,10 por tonelada métrica, ofreciendo una opción de tecnología adicional para que los operadores de plantas de energía capturen su CO 2 .
El estudio de Jiang describió siete procesos que las plantas de energía pueden adoptar cuando usan EEMPA, que van desde configuraciones simples similares a las descritas en la tecnología de la década de 1930, a configuraciones multietapa de mayor complejidad. Jiang modeló los costos de energía y materiales para ejecutar tales procesos en una planta de energía de carbón de 550 megavatios, encontrando que cada método se fusiona cerca de la marca de $ 47,10 por tonelada métrica.
Resolviendo los problemas de un solvente
Una de las primeras patentes conocidas para la tecnología de captura de carbono basada en solventes surgió en 1930, presentado por Robert Bottoms.
"No es broma, "dijo el químico verde David Heldebrant, coautor del nuevo estudio. "Hace noventa y un años, Bottoms utilizó casi el mismo diseño de proceso y química para abordar lo que ahora conocemos como un problema del siglo XXI ".
El proceso químico para la extracción de CO 2 del gas de poscombustión permanece prácticamente sin cambios:las aminas ricas en agua se mezclan con los gases de combustión, absorber CO 2 y luego se les quita el gas, que luego se comprime y almacena. Pero las aminas acuosas tienen limitaciones. Porque son ricos en agua deben hervirse a altas temperaturas para eliminar el CO 2 y luego enfriar antes de que se puedan reutilizar, impulsar los costos al alza.
"Queríamos golpearlo desde el otro lado y preguntar, ¿Por qué no utilizamos la química del siglo XXI para esto? ", dijo Heldebrant. en 2009, él y sus colegas comenzaron a diseñar disolventes pobres en agua como alternativa. Los primeros disolventes eran demasiado viscosos para poder utilizarse.
"'Mirar, '", recordó que los socios de la industria dijeron:“'Su solvente se está congelando y convirtiéndose en vidrio. No podemos trabajar con esto'. Entonces, dijimos, está bien. Desafío aceptado."
Durante la próxima década, el equipo de PNNL refinó la química del solvente con el objetivo explícito de superar la "barrera de la viscosidad". La clave, resultó, era usar moléculas que se alinearan de una manera que promoviera el enlace de hidrógeno interno, dejando menos átomos de hidrógeno para interactuar con moléculas vecinas.
Heldebrant hace una comparación con los niños que corren a través de un foso de pelotas:si dos niños se toman de la mano al pasar, se mueven lentamente. Pero si toman sus propias manos en cambio, pasan como dos más pequeños, objetos que se mueven más rápido. El enlace de hidrógeno interno también deja menos átomos de hidrógeno con los que interactuar en general, similar a sacar bolas del hoyo.
Girar hacia el plástico
Donde el solvente del equipo alguna vez fue viscoso como la miel, ahora fluía como agua de la tetera. EEMPA es un 99 por ciento menos viscoso que las anteriores formulaciones pobres en agua de PNNL, ahora casi a la par con los disolventes comerciales, permitiendo que se utilicen en la infraestructura existente, que está construido en gran parte de acero. Girando a plástico en lugar de acero, el equipo encontró, puede reducir aún más los costos de equipo.
El acero es caro de producir, costoso de enviar y tiende a corroerse con el tiempo en contacto con disolventes. A una décima parte del peso, Sustituir el acero por plástico puede reducir el costo total otros $ 5 por tonelada métrica, según un estudio dirigido por Jiang en 2019.
El emparejamiento con plástico ofrece otra ventaja a EEMPA, cuya superficie reactiva se potencia en sistemas plásticos. Debido a que las aminas acuosas tradicionales no pueden "mojar" el plástico también (piense en gotas de agua sobre teflón), esta ventaja es exclusiva del nuevo disolvente.
El equipo de PNNL planea producir 4, 000 galones de EEMPA en 2022 para analizar a una escala de 0,5 megavatios dentro de las instalaciones de prueba en el Centro Nacional de Captura de Carbono en el condado de Shelby, Alabama, en un proyecto liderado por el Electric Power Research Institute en asociación con Research Triangle Institute International. Continuarán probando a escalas crecientes y refinarán aún más la química del solvente, con el objetivo de alcanzar el objetivo del Departamento de Energía de EE. UU. de implementar tecnología disponible comercialmente que pueda capturar CO 2 a un costo de $ 30 por tonelada métrica para 2035.
