Investigadores desarrollan un proceso de producción de combustible a partir de CO2

En todo el mundo se busca la manera de extraer el dióxido de carbono (CO2) del aire o de las emisiones de las centrales eléctricas y convertirlo en algo útil. Una de las ideas más prometedoras es convertirlo en un combustible estable que pueda sustituir a los combustibles fósiles en algunas aplicaciones. Pero la mayoría de estos procesos de conversión han tenido problemas con la baja eficiencia del carbono, o producen combustibles que pueden ser difíciles de manejar, tóxicos o inflamables.

Ahora, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y la Universidad de Harvard han desarrollado un proceso eficaz que puede convertir el dióxido de carbono en formiato, un material líquido o sólido que puede utilizarse como el hidrógeno o el metanol para alimentar una pila de combustible y generar electricidad. El formiato de potasio o sodio, que ya se produce a escala industrial y se utiliza habitualmente como descongelante de carreteras y aceras, no es tóxico ni inflamable, es fácil de almacenar y transportar y puede permanecer estable en depósitos de acero ordinarios para ser utilizado meses, o incluso años, después de su producción.

El proceso completo —incluida la captura y conversión electroquímica del gas en un polvo sólido de formiato, que luego se utiliza en una pila de combustible para producir electricidad— ha sido demostrado a pequeña escala, en laboratorio. Sin embargo, los investigadores esperan que sea escalable, de modo que pueda suministrar calor y electricidad sin emisiones a viviendas particulares e incluso utilizarse en aplicaciones industriales o a escala de red.

El profesor del MIT, Ju Li, ha explicado que otros métodos para convertir el dióxido de carbono en combustible suelen constar de dos fases: primero se captura químicamente el gas y se convierte en una forma sólida como el carbonato cálcico, y después se calienta ese material para expulsar el dióxido de carbono y convertirlo en una materia prima combustible como el monóxido de carbono. "Ese segundo paso tiene una eficacia muy baja, ya que suele convertir menos del 20% del dióxido de carbono gaseoso en el producto deseado", afirma Li.

En cambio, el nuevo proceso logra una conversión muy superior al 90% y elimina la necesidad del ineficiente paso de calentamiento al convertir primero el dióxido de carbono en una forma intermedia, el bicarbonato metálico líquido. A continuación, ese líquido se convierte electroquímicamente en formiato líquido de potasio o sodio en un electrolizador que utiliza electricidad baja en carbono, por ejemplo, energía nuclear, eólica o solar.

La solución líquida altamente concentrada de formiato de potasio o de sodio producida puede secarse después, por ejemplo mediante evaporación solar, para producir un polvo sólido muy estable que puede almacenarse en depósitos de acero ordinarios durante años o incluso décadas, explica Li.

Proceso

El proceso de captura y conversión del carbono implica primero una captura basada en una solución alcalina que concentra el dióxido de carbono, ya sea de corrientes concentradas como las de las emisiones de las centrales eléctricas o de fuentes de muy baja concentración, incluso al aire libre, en forma de solución líquida de metal y bicarbonato. A continuación, mediante el uso de un electrolizador de membrana de intercambio catiónico, este bicarbonato se convierte electroquímicamente en cristales sólidos de formiato con una eficiencia de carbono superior al 96 por ciento, como confirman los experimentos a escala de laboratorio del equipo.

Estos cristales tienen una vida útil indefinida, siendo tan estables que podrían almacenarse durante años, o incluso décadas, sin apenas pérdidas. En comparación, incluso los mejores tanques de almacenamiento de hidrógeno disponibles en la práctica permiten que el gas se escape a un ritmo de alrededor del 1 por ciento al día, lo que impide cualquier uso que requiera un almacenamiento de un año de duración, afirma Li.

El metanol, otra alternativa ampliamente explorada para convertir el dióxido de carbono en un combustible utilizable en pilas de combustible, es una sustancia tóxica que no puede adaptarse fácilmente para su uso en situaciones en las que las fugas podrían suponer un peligro para la salud. El formiato, en cambio, se utiliza mucho y se considera benigno, según las normas nacionales de seguridad.

Varias mejoras explican la gran eficacia de este proceso. En primer lugar, el cuidadoso diseño de los materiales de la membrana y su configuración superan un problema con el que se han topado intentos anteriores de este tipo de sistemas, en los que la acumulación de ciertos subproductos químicos cambia el pH, lo que hace que el sistema pierda eficacia de forma constante con el tiempo. "Tradicionalmente, es difícil conseguir una conversión continua, estable y a largo plazo de las materias primas", declara Zhang, miembro del equipo de investigación. "La clave de nuestro sistema es lograr un equilibrio del pH para una conversión estable" añade.

Para lograrlo, los investigadores llevaron a cabo un modelado termodinámico para diseñar el nuevo proceso de modo que estuviera equilibrado químicamente y el pH se mantuviera en un estado estacionario sin cambios de acidez a lo largo del tiempo. Por tanto, puede seguir funcionando eficazmente durante largos periodos. En sus pruebas, el sistema funcionó durante más de 200 horas sin una disminución significativa de la producción. Todo el proceso puede realizarse a temperatura ambiente y a presiones relativamente bajas (unas cinco veces la presión atmosférica).

Otro problema era que las reacciones secundarias no deseadas producían otros productos químicos que no eran útiles, pero el equipo ideó una forma de evitar estas reacciones secundarias mediante la introducción de una capa "amortiguadora" adicional de lana de fibra de vidrio enriquecida con bicarbonato que bloqueaba estas reacciones.

Pila de combustible

El equipo también construyó una pila de combustible optimizada específicamente para el uso de este combustible de formiato para producir electricidad. Las partículas de formiato almacenadas simplemente se disuelven en agua y se bombean a la pila de combustible cuando es necesario. "Aunque el combustible sólido es mucho más pesado que el hidrógeno puro, si se tiene en cuenta el peso y el volumen de los depósitos de gas a alta presión necesarios para almacenar hidrógeno, el resultado final es una producción de electricidad casi paritaria para un volumen de almacenamiento determinado", declara Li.

Según los investigadores, el combustible de formiato puede adaptarse a cualquier aplicación, desde unidades domésticas hasta usos industriales a gran escala o sistemas de almacenamiento en red. Las primeras aplicaciones domésticas podrían consistir en una unidad electrolizadora del tamaño de un frigorífico para capturar y convertir el dióxido de carbono en formiato, que podría almacenarse en un depósito subterráneo o en el tejado.

Cuando fuera necesario, el sólido en polvo se mezclaría con agua y se introduciría en una pila de combustible para suministrar energía y calor. "Esto es para demostraciones comunitarias o domésticas", dice Zhang, "pero creemos que también en el futuro puede ser bueno para fábricas o la red eléctrica".