Adentro

Los ingenieros químicos utilizan fibras de carbono recubiertas y eliminan el calentamiento a base de vapor en su diseño más simple, que también puede funcionar con energía eólica.

Lo que comenzó como un simple recado para depositar un cheque en el servicio de autoservicio de un banco se convirtió en el tipo de momento de “ajá” que se encuentra principalmente en libros y películas.

Los investigadores de Georgia Tech habían estado trabajando en una idea para simplificar los sistemas tradicionales de captura directa de aire (DAC). Su enfoque utilizó el flujo de viento ambiental para atraer aire a través de un nuevo tipo de fibra de carbono recubierta para capturar CO2. Eso eliminaría los ruidosos ventiladores utilizados en muchos sistemas. Y las hebras de fibra de carbono podrían calentarse rápidamente para liberar el dióxido de carbono capturado con una pérdida de calor mínima, lo que aumenta la eficiencia.

Pero estaban luchando por saber cómo desplegar estas nuevas fibras de carbono recubiertas de absorbente para lograr el máximo efecto.

“Tuve que ir a depositar un cheque al banco y pasé por el autoservicio. Tenían los viejos tubos neumáticos que bajaban para transportar documentos”, dijo Ryan Lively, profesor Thomas C. DeLoach en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular (ChBE) de Georgia Tech. “No son muchas las ocasiones en las que se te enciende una bombilla en tu carrera, pero vi los tubos y me di cuenta de que podíamos poner las fibras en algo así como el bote de tubos de un cajero de banco.

"Eso es más o menos lo que hicimos y funcionó".

Una vez instalados los módulos inspirados en tubos neumáticos, el equipo comenzó a probar su sistema. Descubrieron que podían producir dióxido de carbono con suficiente pureza para el secuestro subterráneo y eliminar muchos de los costos iniciales sustanciales de la construcción de sistemas DAC típicos. Describieron su diseño y enfoque el 12 de junio en la revista Joule.

Las fibras de carbono recubiertas de absorbente en el recipiente inspirado en un tubo de banco.

"Este trabajo no sólo conceptualizó una nueva generación de sistemas DAC sino que también mostró operaciones prácticas de nuestra invención hasta cierto punto", dijo Won Hee Lee, primer autor del artículo y ex becario postdoctoral en el laboratorio de Lively. “Ya capturamos con éxito el CO2 ambiental con nuestro módulo a escala de laboratorio. Ahora es importante ampliar el módulo. Dado que todos los componentes de nuestro sistema están disponibles comercialmente y la fabricación es relativamente fácil, debería haber pocos obstáculos técnicos para fabricar el módulo a gran escala”.

Al menos en teoría, el equipo ha hecho esa ampliación, utilizando sus datos experimentales para proyectar la economía de un sistema práctico. Descubrieron que el sistema podía capturar CO2 por entre 150 y 200 dólares por tonelada, significativamente menos que los sistemas comerciales en construcción que se estima capturan carbono por entre 300 y 600 dólares por tonelada.

Los coautores del estudio incluyen investigadores de ChBE que han posicionado a Georgia Tech como líder en tecnología de captura directa de aire. Los profesores Christopher Jones y Matthew Realff trabajan con Lively en todo el espectro de DAC, desde el nivel molecular hasta el de sistemas.

Este trabajo presenta dos avances clave.

Los sistemas DAC utilizan calor para liberar CO2 de los materiales filtrantes saturados. El CO2 se recolecta y luego se puede bombear bajo tierra o quizás usarse para fabricar combustible o productos químicos. Normalmente, los sistemas utilizan una fuente de calefacción externa. El vapor es una opción popular porque es rápido y potente, pero también es dañino y requiere un paso de condensación adicional. Estos sistemas también requieren aislamiento para evitar que se escape todo el calor, por lo que son voluminosos y costosos.

Lively y el equipo crearon hebras de fibra de carbono únicas recubiertas con un sorbente amante del carbono. El núcleo de fibra de carbono se calienta desde adentro hacia afuera, lo que resulta en una distribución del calor rápida y uniforme.

Ryan Lively, Won Hee Lee (en una computadora portátil), Christopher Jones y Matthew Realff desarrollaron el sistema DAC basado en fibra.

Un dispositivo de imágenes térmicas muestra la distribución del calor en las fibras de carbono.

“Las fibras son muy, muy uniformes. Cuando conectas todo esto a un sistema eléctrico, distribuyes esa energía de manera notablemente homogénea, lo cual es inusual para un sistema de calefacción por resistencia”, dijo Lively. “No somos los primeros en pensar en el calentamiento por resistencia para regenerar un dispositivo de captura de carbono. Pero normalmente, el calentamiento era lento o no uniforme. Hay lugares donde se calienta el aire en lugar de lo que se intenta calentar”.

El sistema de los investigadores utiliza menos componentes en general. El diseño despliega una serie de módulos inspirados en tubos de banco con hebras de fibra de carbono en un círculo para capturar CO2 sin importar en qué dirección sople el viento. El sistema utiliza una única bomba de vacío que gira de módulo a módulo durante la fase de regeneración. Y no hay necesidad de generadores de vapor, bombas y condensadores para liberar el CO2 y "recargar" los hilos. Ambos cambios significan que el sistema es más simple en general y más barato de construir e implementar desde el principio.

"El costo de capital de este sistema es significativamente menor que el de muchos de los sistemas DAC actuales debido a la falta de sistemas auxiliares como la generación de vapor", dijo Realff. "El costo de la energía sigue siendo un desafío y necesitamos aumentar la cantidad de CO2 que podemos absorber en el dispositivo para que el calentamiento sensible de las fibras no consuma una porción demasiado grande del calor total".

Pero Realff dijo que el calentamiento rápido y los ciclos rápidos del sistema son muy prometedores para un enfoque más productivo para la captura directa de aire: "El hecho de que pudiéramos producir un prototipo funcional y demostrarlo a escala de banco en meses es una característica notable de la tecnología". .”

Idealmente, el sistema DAC del equipo podría ubicarse en un parque eólico, utilizando energía renovable de turbinas eólicas. Pero incluso usando energía de la red actual, el análisis de Reallf mostró que el diseño del equipo aún eliminaría suficiente CO2 de la atmósfera para ser carbono negativo.

Otra ventaja del enfoque del equipo es el hilo de fibra de carbono. El material tiene las propiedades mecánicas y eléctricas adecuadas, está fácilmente disponible, se fabrica de forma sostenible en grandes cantidades y no es prohibitivamente caro.

Ahora el equipo busca mejorar la calidad del dióxido de carbono que pueden producir. Han logrado una pureza del 80%, lo suficientemente buena para el almacenamiento subterráneo, pero les gustaría alcanzar la pureza del 99% necesaria para reutilizaciones productivas como la fabricación de productos químicos o combustibles. Están trabajando con el Georgia Tech Research Institute para perfeccionar y automatizar su sistema con ese objetivo en mente, y están trabajando para instalar un sistema de prueba en lo alto de un edificio del campus.

"He trabajado en DAC durante más de una década, y casi todos los diseños que he visto dependen principalmente de la energía térmica para la desorción", dijo Jones, quien también es presidente de la escuela John F. Brock III de ChBE. "Una tecnología que permite un calentamiento local rápido y el uso de electricidad renovable amplía la gama de opciones de diseño del desarrollador de tecnología DAC".

En la portada de la edición del 21 de junio de la revista Joule aparece una representación artística que muestra una instalación del sistema DAC en un parque eólico. (Ilustración: Nicolle Fuller, SayoStudio)

El nuevo Centro de captura directa de aire aprovechará el liderazgo de Georgia Tech en un campo floreciente.

El Centro de captura directa de aire reúne a investigadores de todo el Instituto para realizar investigaciones colaborativas sobre tecnologías de emisiones negativas y captura directa de aire.

El centro recibe una tercera ronda de financiación para el estudio de materiales utilizados en tecnologías de energía limpia.

Esta investigación fue apoyada por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía del Departamento de Energía de EE. UU., subvención número DE-AR0001414. Cualquier opinión, hallazgo, conclusión o recomendación expresada en este material pertenece a los autores y no refleja necesariamente los puntos de vista de ninguna agencia financiadora.

Citación:Lee et al., Fibras de carbono recubiertas con absorbentes para la captura directa de aire mediante adsorción por cambio de temperatura impulsada eléctricamente, Joule (2023), https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.05.016.