Científicos e investigadores de todo el mundo trabajan incansablemente para aprovechar el dióxido de carbono de la atmósfera o de las emisiones de las centrales eléctricas y transformarlo en un recurso valioso. En este contexto, ingenieros del MIT y de Harvard transformaron el CO2 en un combustible eficiente capaz de sustituir a los combustibles fósiles en diversas aplicaciones. Los métodos de conversión anteriores presentaban problemas como una baja eficiencia en la reducción de emisiones de carbono y la producción de combustibles peligrosos. Se espera que el nuevo proceso sea más eficiente a mayor escala.
Investigadores del MIT y la Universidad de Harvard han logrado un avance significativo al crear un proceso eficiente capaz de transformar el dióxido de carbono en formato. Este notable logro abre la puerta a la utilización del formato como un material versátil, tanto en estado líquido como sólido, que puede emplearse, al igual que el metanol o el hidrógeno, para alimentar pilas de combustible y generar electricidad.
El nuevo proceso ha sido desarrollado por el equipo de estudiantes de doctorado del MIT, Alexander H. Quinn , Zhen Zhang y Zhichu Ren, junto con Dawei Xi, un estudiante de la Universidad de Harvard, y el profesor del MIT Ju LI.
El formiato de sodio, también conocido como potasio, se produce a escala industrial. Se utiliza comúnmente como descongelante para aceras y carreteras. Es ininflamable y no tóxico, además de fácil almacenamiento y transporte. Asimismo, se mantiene estable en tanques de acero convencionales, donde puede utilizarse durante meses. En ocasiones, incluso años después de su producción, el material se sigue utilizando.
Sobre el proceso
Todo el proceso consiste en la captura y conversión electroquímica del gas en un polvo de formato sólido. A pequeña escala en el laboratorio, el equipo demostró el proceso transfiriendo este polvo a una pila de combustible para generar electricidad.
Según el profesor Li, otros métodos para convertir el dióxido de carbono en combustible implican un proceso de dos etapas. Estos son:
- Para capturar y convertir el gas en carbonato de calcio, un sólido, el material se calienta posteriormente, eliminando el dióxido de carbono. Posteriormente, se convierte en una materia prima combustible, como el monóxido de carbono.
- El segundo paso no es muy eficiente. Suele convertir menos del 20 % del dióxido de carbono gaseoso en el producto deseado.
La captura y conversión de carbono es un proceso que comienza con la captura de dióxido de carbono mediante una solución alcalina. Esta solución concentra el dióxido de carbono proveniente de diversas fuentes, como centrales eléctricas o incluso el aire, transformándolo en una forma líquida de bicarbonato metálico.
Mediante el uso de un electrolizador de membrana de intercambio catiónico, el bicarbonato se transforma electroquímicamente en cristales sólidos de formato. La eficiencia de carbono, superior al 96 %, ha sido validada mediante rigurosos experimentos a escala de laboratorio realizados por el equipo.
Según el profesor Li, los cristales no caducan y pueden almacenarse durante muchos años sin sufrir pérdidas. En cambio, incluso los mejores tanques de almacenamiento de hidrógeno disponibles actualmente presentan fugas de gas de aproximadamente un 1 % diario. Esto imposibilita su uso para el almacenamiento a largo plazo.
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Tasa de conversión alta
En cambio, el nuevo proceso alcanza una tasa de conversión superior al 90 % , superando al método anterior. Además, elimina la necesidad de la ineficiente etapa de calentamiento al transformar el dióxido de carbono en una forma intermedia altamente eficiente conocida como bicarbonato de metal líquido.
Posteriormente, el líquido se transforma en formiato de potasio o sodio líquido mediante conversión electroquímica en un electrolizador alimentado por electricidad baja en carbono, como la energía nuclear, eólica o solar.
Diferentes formas de formato
Según el profesor Li, la solución de formiato de potasio o sodio, altamente concentrada, puede secarse posteriormente para obtener un polvo sólido. Este proceso se puede lograr mediante métodos como la evaporación solar . El polvo resultante es excepcionalmente estable y puede almacenarse de forma segura en tanques de acero estándar durante largos periodos, incluso años o décadas.
Ingenieros del MIT y Harvard transformaron el CO2 en combustible eficiente, y el éxito de este proceso inspiró a los investigadores a escalarlo para que pudiera producir calor sin emisiones y, al mismo tiempo, suministrar energía a hogares individuales. Además, puede utilizarse en operaciones a gran escala en la red eléctrica o en la industria.
Según el profesor Li, el desarrollo de numerosas técnicas de optimización por parte del equipo fue fundamental para transformar un proceso de conversión química ineficaz en una solución viable. El profesor Li, quien ocupa puestos en los departamentos de Ciencias e Ingeniería Nuclear y Ciencia e Ingeniería de Materiales, destaca el importante impacto logrado mediante estos pasos de optimización.
Posteriormente, cuando sea necesario, el polvo sólido se mezclará con agua y se introducirá en una pila de combustible para generar tanto energía como calor. «Esto es para demostraciones comunitarias o domésticas, pero creemos que en el futuro también podría ser útil para fábricas o la red eléctrica», afirmó Zhang.
Si bien el metanol es una sustancia tóxica que plantea problemas de seguridad, el formato se presenta como una alternativa viable y más segura para transformar el dióxido de carbono en un combustible apto para pilas de combustible. Las normas nacionales de seguridad reconocen el formato como una opción ampliamente utilizada e inocua , que proporciona una solución fiable sin comprometer el bienestar de las personas en caso de posibles fugas.
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Pasos que conducen al éxito
La eficiencia de este proceso ha mejorado enormemente gracias a varias mejoras.
- En primer lugar, un diseño bien pensado de los materiales de la membrana y su disposición ha resuelto un problema al que se enfrentaban los intentos anteriores con este sistema.
- En esos casos, la acumulación de subproductos químicos específicos alteraría el pH, lo que provocaría una disminución gradual de la eficiencia con el tiempo.
Zhang afirma: “Tradicionalmente, es difícil lograr una conversión continua, estable y a largo plazo de las materias primas. La clave de nuestro sistema reside en alcanzar un equilibrio de pH que permita una conversión en estado estacionario”.
Para lograrlo , los investigadores realizaron un modelado termodinámico con el fin de diseñar un nuevo proceso que mantuviera el equilibrio químico y un pH estable sin fluctuaciones en la acidez. De esta manera, el sistema puede operar con una eficiencia óptima durante periodos prolongados.
El sistema se probó durante más de 200 horas y su rendimiento no disminuyó significativamente. El proceso puede llevarse a cabo a temperatura ambiente y presiones relativamente bajas, aproximadamente cinco veces la presión atmosférica.
Un problema adicional era la producción de subproductos químicos inservibles debido a reacciones secundarias indeseadas. Sin embargo, el equipo lo solucionó introduciendo una capa adicional de lana de fibra de vidrio enriquecida con bicarbonato, que impidió estas reacciones.
Además, el equipo ha desarrollado una pila de combustible diseñada específicamente para utilizar eficientemente este combustible de formato para la generación de electricidad. Las partículas de formato almacenadas se disuelven fácilmente en agua y se inyectan sin problemas en la pila de combustible cuando sea necesario.
Según Li, aunque el combustible sólido es significativamente más pesado que el hidrógeno puro, si tenemos en cuenta el peso y el tamaño de los tanques de gas a alta presión necesarios para almacenar hidrógeno, el resultado global es una producción de electricidad casi igual para un volumen de almacenamiento determinado.
Varias aplicaciones potenciales del formato
Según los investigadores, el combustible de formato tiene el potencial de adaptarse a una amplia gama de usos, desde pequeñas unidades domésticas hasta grandes aplicaciones industriales o sistemas de almacenamiento a escala de red. A nivel doméstico, se podría utilizar un electrolizador del tamaño de un refrigerador para capturar y convertir el dióxido de carbono en formato, que luego se puede almacenar en un tanque subterráneo o en la azotea.
Ingenieros del MIT y Harvard transformaron el CO2 en combustible eficiente, y Ted Sargent , profesor de química e ingeniería eléctrica e informática en la Universidad Northwestern , quien no participó en este estudio, afirmó: “La economía del formato es un concepto fascinante porque las sales de formato metálico son muy inocuas y estables, y constituyen un portador de energía prometedor. Los autores han demostrado una mayor eficiencia en la conversión líquido-líquido de bicarbonato a formato, y han demostrado que estos combustibles pueden utilizarse posteriormente para generar electricidad”.
