La necesidad de tecnología que pueda capturar, eliminar y reutilizar el dióxido de carbono se hace más fuerte con cada CO2 molécula que llega a la atmósfera terrestre. Para satisfacer esa necesidad, los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía han marcado un nuevo hito en sus esfuerzos para hacer que la captura de carbono sea más asequible y generalizada. Han creado un nuevo sistema que captura eficientemente el CO2 — el menos costoso hasta la fecha — y lo convierte en uno de los productos químicos más utilizados en el mundo: el metanol.
atrapando CO2 antes de que flote en la atmósfera es un componente clave para frenar el calentamiento global. Sin embargo, la creación de incentivos para que los mayores emisores adopten la tecnología de captura de carbono es un precursor importante. El alto costo de la tecnología de captura comercial es una barrera de larga data para su uso generalizado.
Los científicos del PNNL creen que el metanol puede proporcionar ese incentivo. Tiene muchos usos como combustible, solvente y un ingrediente importante en plásticos, pintura, materiales de construcción y piezas de automóviles. Conversión de CO2 en sustancias útiles como el metanol ofrece un camino para que las entidades industriales capturen y reutilicen su carbono.
El químico del PNNL, David Heldebrant, que dirige el equipo de investigación detrás de la nueva tecnología, compara el sistema con el reciclaje. Así como se puede elegir entre materiales de un solo uso y reciclables, también se puede reciclar el carbono.
«Eso es esencialmente lo que estamos tratando de hacer aquí», dijo Heldebrant. «En lugar de extraer petróleo del suelo para fabricar estos productos químicos, estamos tratando de hacerlo a partir de CO2 capturado de la atmósfera o de las plantas de carbón, para que pueda ser reconstituido en cosas útiles. Estás manteniendo vivo el carbono, por así decirlo, por lo que no se trata solo de ‘sácalo de la tierra, úsalo una vez y tíralo’. Estamos tratando de reciclar el CO2al igual que tratamos de reciclar otras cosas como vidrio, aluminio y plásticos».
Como se describe en el diario. Materiales energéticos avanzados, el nuevo sistema está diseñado para adaptarse a centrales eléctricas de carbón, gas o biomasa, así como a hornos de cemento y plantas siderúrgicas. Usando un solvente de captura desarrollado por PNNL, el sistema captura CO2 moléculas antes de que sean emitidas, luego las convierte en sustancias útiles y vendibles.
Una larga fila de fichas de dominó debe caer antes de que el carbono pueda eliminarse por completo o evitarse por completo que ingrese a la atmósfera de la Tierra. Este esfuerzo, llevar la tecnología de captura y conversión al mundo, representa algunos de los primeros mosaicos cruciales.
El despliegue de esta tecnología reducirá las emisiones, dijo Heldebrant. Pero también podría ayudar a impulsar el desarrollo de otras tecnologías de captura de carbono y establecer un mercado para el CO2-materiales que lo contienen. Con tal mercado en marcha, el carbono capturado por las tecnologías anticipadas de captura directa de aire podría reconstituirse mejor en materiales de vida más larga.
El llamado a una captura de carbono más barata
En abril de 2022, el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático emitió su informe del Grupo de Trabajo III centrado en la mitigación del cambio climático. Entre las medidas de limitación de emisiones descritas, la captura y almacenamiento de carbono se mencionó como un elemento necesario para lograr emisiones netas cero, especialmente en sectores que son difíciles de descarbonizar, como el acero y la producción química.
«Reducir las emisiones en la industria implicará usar materiales de manera más eficiente, reutilizar y reciclar productos y minimizar los desechos», afirmó el IPCC en un comunicado de prensa emitido junto con una de las entregas del informe de 2022. «Para alcanzar el cero neto de CO2 emisiones del carbono necesario en la sociedad (p. ej., plásticos, madera, combustibles de aviación, solventes, etc.)», dice el informe, «es importante cerrar los círculos de uso de carbono y dióxido de carbono a través de una mayor circularidad con el reciclaje mecánico y químico .»
La investigación de PNNL se enfoca en hacer precisamente eso, en consonancia con Carbon Negative Shot del DOE. Mediante el uso de hidrógeno de origen renovable en la conversión, el equipo puede producir metanol con una huella de carbono más baja que los métodos convencionales que utilizan gas natural como materia prima. Metanol producido vía CO2 la conversión podría calificar para políticas e incentivos de mercado destinados a impulsar la adopción de tecnologías de reducción de carbono.
El metanol se encuentra entre los productos químicos más producidos que existen por volumen. Conocido como un «material de plataforma», sus usos son muy variados. Además de metanol, el equipo puede convertir CO2 en formiato (otro producto químico básico), metano y otras sustancias.
Queda una cantidad significativa de trabajo para optimizar y escalar este proceso, y pueden pasar varios años antes de que esté listo para su implementación comercial. Pero, dijo Casie Davidson, gerente del sector de mercado Carbon Management and Fossil Energy de PNNL, el desplazamiento de los productos químicos convencionales es solo el comienzo. «El enfoque integrado del equipo abre un mundo de nuevas CO2 química de conversión. Existe la sensación de que estamos en el umbral de un campo completamente nuevo de tecnología de carbono escalable y rentable. Es un momento muy emocionante».
Costos desmoronados
Los sistemas comerciales absorben el carbono de los gases de combustión a aproximadamente $46 por tonelada métrica de CO2, según un análisis del DOE. El objetivo del equipo de PNNL es reducir continuamente los costos haciendo que el proceso de captura sea más eficiente y económicamente competitivo.
El equipo redujo el costo de captura a $47.10 por tonelada métrica de CO2 en 2021. Un nuevo estudio descrito en el Revista de producción más limpia explora el costo de operar el sistema de metanol utilizando diferentes solventes de captura desarrollados por PNNL, y esa cifra ahora se ha reducido a menos de $ 39 por tonelada métrica de CO2.
«Observamos tres CO2solventes aglutinantes en este nuevo estudio», dijo el ingeniero químico Yuan Jiang, quien dirigió la evaluación. «Descubrimos que capturan más del 90 por ciento del carbono que pasa a través de ellos, y lo hacen por aproximadamente el 75 por ciento del costo de los tradicionales tecnología de captura”.
Se pueden utilizar diferentes sistemas dependiendo de la naturaleza de la planta o del horno. Pero, sin importar la configuración, los solventes son centrales. En estos sistemas, los solventes lavan el CO2-gas de combustión rico antes de que se emita, dejando atrás CO2 moléculas ahora unidas dentro de ese líquido.
Crear metanol a partir de CO2 no es nuevo Pero la capacidad de capturar carbono y luego convertirlo en metanol en un sistema de flujo continuo sí lo es. La captura y la conversión se han producido tradicionalmente como dos pasos distintos, separados por la química única de cada proceso, a menudo no complementaria.
«Finalmente nos estamos asegurando de que una tecnología pueda hacer ambos pasos y hacerlo bien», dijo Heldebrant, y agregó que la tecnología de conversión tradicional generalmente requiere CO altamente purificado.2. El nuevo sistema es el primero en crear metanol a partir de CO «sucio»2.
Reduciendo las emisiones del mañana
El proceso de captura de CO2 y convertirlo en metanol no es CO2-negativo. El carbono del metanol se libera cuando se quema o se secuestra cuando el metanol se convierte en sustancias con una vida útil más larga. Pero esta tecnología «prepara el escenario», dijo Heldebrant, para el importante trabajo de mantener el carbono unido dentro del material y fuera de la atmósfera.
Otros materiales objetivo incluyen poliuretanos, que se encuentran en adhesivos, revestimientos y aislamiento de espuma, y poliésteres, que se utilizan ampliamente en tejidos para textiles. Una vez que los investigadores finalicen la química detrás de la conversión de CO2 en materiales que lo mantienen fuera de la atmósfera durante escalas de tiempo relevantes para el clima, una amplia red de sistemas de captura podría estar preparada para ejecutar tales reacciones.
En lugar de las chimeneas de hoy, Heldebrant prevé CO2 refinerías construidas dentro o junto a centrales eléctricas, donde el CO2-los productos que contienen se pueden hacer en el sitio. «Estamos en un punto de inflexión», escribieron Heldebrant y sus coautores en un artículo reciente publicado en la revista ciencia química«donde podemos continuar utilizando la infraestructura monolítica de captura y conversión del siglo XX o podemos comenzar la transición a un nuevo paradigma del siglo XXI de tecnologías integradas de captura y conversión de carbono basadas en solventes».
Esta tecnología está disponible para licencia. Comuníquese con Sara Hunt, gerente de comercialización de PNNL, para obtener más información.
Este trabajo fue apoyado por el Fondo de Comercialización de Tecnología del Departamento de Energía, la Oficina de Gestión de Carbono y Energía Fósil y Southern California Gas. Parte del trabajo se realizó en EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en PNNL.
