Investigamos las tecnologías modernas de captura de carbono

En respuesta a las iniciativas internacionales para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), muchos fabricantes de la industria de procesos están incorporando diversas iniciativas de mejora de la eficiencia y energía verde a sus operaciones. Las técnicas de captura de CO₂, que atrapan y almacenan este gas, ofrecen una solución prometedora. Sin embargo, su adopción generalizada depende del avance de las capacidades y la reducción de costes de la tecnología necesaria para que resulte más factible.

En la captura de carbono de combustión, hay dos enfoques diferentes: antes y después de la combustión. La captura antes de la combustión intercepta el CO₂ antes del encendido con métodos como la gasificación y el reformado.

Por el contrario, la captura después de la combustión se realiza en los pasos posteriores a la quema de combustible en el proceso primario. En este caso se utilizan disolventes u otros métodos para recolectar el dióxido de carbono directamente del gas de combustión. En esta página web nos centramos en la captura del CO₂ después de la combustión. Aunque resulta ventajosa por su potencial de readaptación y madurez tecnológica, no es tan eficiente como la captura de carbono antes de la combustión.

El tratamiento de gas con aminas es el método de captura de carbono más utilizado en entornos industriales. Esta técnica poscombustión aprovecha las propiedades químicas de las disoluciones de aminas, como la monoetanolamina, que tiene una gran afinidad para enlazarse con el dióxido de carbono. El proceso consta de:

El gas de combustión se somete a un proceso de limpieza para eliminar el polvo, partículas sólidas, compuestos sulfurosos u otros contaminantes. El tratamiento previo protege la disolución de amina y los equipos de la suciedad y la corrosión. Después, el gas de combustión caliente se enfría hasta la temperatura óptima (aprox. 40-60 °C/104-140 °F) para que la disolución de amina absorba el dióxido de carbono de forma eficiente.

El gas de combustión enfriado pasa a la parte inferior de la torre de absorción, normalmente un depósito cilíndrico donde hay material de relleno para un mejor contacto gas-líquido. Por la parte superior de la torre, se introduce un flujo de disolución de amina a contracorriente. A medida que el gas de combustión asciende por la torre, entra en contacto con la disolución de amina descendente. A continuación, el CO₂ presente en el gas de combustión forma un enlace reversible con las moléculas de amina, lo que lo separa del flujo de gas.

Transferencia de la disolución de amina rica en dióxido de carbono: la disolución de amina rica en dióxido de carbono se bombea a otra torre llamada desorbedor o regenerador. Este flujo se mide minuciosamente mediante instrumentación espectroscópica Raman para garantizar la eficiencia en el sucesivo paso de regeneración.

En el desorbedor, se calienta la disolución de amina rica en dióxido de carbono, normalmente mediante inyección de vapor, hasta alcanzar los 110 °C/230 °F. Este calor rompe el enlace entre la amina y el dióxido de carbono. La disolución de amina regenerada, ahora sin dióxido de carbono, fluye a la parte inferior del regenerador.

Refrigeración y recirculación de la disolución de amina: la disolución de amina caliente y regenerada pasa a través de un intercambiador de calor y transfiere parte de su temperatura a la disolución rica en dióxido de carbono entrante, con lo que mejora la eficiencia energética. En la fase siguiente de la refrigeración, la disolución de amina vuelve a la temperatura óptima para la absorción de dióxido de carbono. Entonces, la disolución de amina refrigerada se bombea de nuevo a la parte superior de la torre de absorción para repetir el ciclo.

El dióxido de carbono liberado desde la parte superior del regenerador se comprime para aumentar su densidad y facilitar su transporte o almacenamiento. El flujo de salida suele analizarse para comprobar su pureza mediante instrumentación TDLAS. En función de la aplicación prevista, el dióxido de carbono podría someterse a pasos adicionales de purificación para eliminar contaminantes.

El tratamiento de gas con aminas presenta unas tasas de eficiencia de captura de CO₂ normalmente superiores al 90 %. Sin embargo, la regeneración consume una gran cantidad de energía, y la solución de amina utilizada durante el proceso se degrada con el tiempo, lo que hace necesario reponerla. Los investigadores están trabajando para abordar estos desafíos con métodos de regeneración más eficientes desde el punto de vista energético, como utilizar el calor de los residuos de procesos industriales. También están desarrollando disoluciones de amina más robustas con mayor estabilidad termina y resistencia a la degradación.

La captura de carbono con membrana es un método menos utilizado que aprovecha la permeabilidad selectiva de membranas especializadas para eliminar el dióxido de carbono de los flujos de gas de combustión. Estas membranas suelen estar compuestas de polímeros o materiales cerámicos, y actúan como controladores moleculares. Permiten que el CO₂ las atraviese, pero bloquean otros gases. La principal ventaja de este enfoque son los menores requisitos energéticos necesarios en comparación con la regeneración de gas con aminas a altas temperaturas.

Los principales pasos son:

1. Tratamiento previo del gas de combustión: antes de introducirse en el sistema de la membrana, el gas de combustión se somete a un proceso de limpieza, normalmente filtración y depuración. Este paso elimina el polvo, las partículas sólidas y otras impurezas que pueden atascar o dañar los delicados poros de la membrana. El gas de combustión se suele enfriar, y su humedad se ajusta hasta alcanzar los niveles óptimos para el material específico de la membrana utilizada. Esto garantiza una separación eficiente del dióxido de carbono y previene la formación de condensaciones dentro del sistema de la membrana.
2. Separación de la membrana: el gas de combustión pretratado se guía a través de la membrana, que actúa como barrera selectiva. Las diferencias en tamaño molecular, estructura y afinidad con el material de la membrana hacen que las moléculas de dióxido de carbono atraviesen la membrana más rápido que otros gases del flujo, como el nitrógeno. Como resultado se obtienen dos flujos de gas de producto: permeado y retentado. El permeado, rico en dióxido de carbono, atraviesa la membrana y se recolecta para seguir procesándose. El retentado, libre de CO₂, contiene el resto de gases. Se libera a la atmósfera o se desvía de nuevo al proceso industrial principal.
3. Compresión y acondicionamiento del dióxido de carbono: el flujo de permeado rico en dióxido de carbono se comprime para aumentar su densidad y facilitar su transporte o almacenamiento. En función de la aplicación prevista, el dióxido de carbono podría someterse a pasos adicionales de purificación para eliminar contaminantes.

Además de las bajas exigencias energéticas, los sistemas de membrana tienen un tamaño reducido, por lo que son ideales para implementarlos en entornos con poco espacio. No obstante, la captura con membrana es menos eficiente que el tratamiento con aminas. Pequeñas variaciones en la composición, presión y temperatura del flujo de gas pueden afectar negativamente al rendimiento.

El tratamiento con aminas y las técnicas de membrana son los únicos métodos de captura de carbono después de la combustión que se utilizan actualmente a escala, pero los investigadores también están estudiando otras estrategias.

La primera es la captura directa del aire (DAC), que limpia el dióxido de carbono directamente del aire ambiente. Se lleva a cabo mediante ventiladores de alta potencia que dirigen el aire a través de materiales absorbentes especializados, como aminas sólidas o disoluciones de hidróxido que forman enlaces químicos con el dióxido de carbono. Cuando el material absorbente se satura, se calienta para liberar el dióxido de carbono capturado. A continuación, este se recolecta para su aprovechamiento o almacenamiento.

El método DAC ofrece una posible estrategia para capturar emisiones de automóviles y otras fuentes. Sin embargo, su adopción debe hacer frente a barreras significativas debido a la fragilidad de los materiales absorbentes, los altos requisitos energéticos y su coste en comparación con las tecnologías de captura en el punto de origen y la necesidad de implementación a gran escala para conseguir una captura de carbono significativa.

Las investigaciones están analizando el uso de biomasa como fuente de combustible. La biomasa, como los árboles, absorben el dióxido de carbono de la atmósfera a medida que crece. Al capturar más adelante el dióxido de carbono liberado durante la combustión, los usuarios pueden conseguir unas emisiones negativas. No obstante, el crecimiento de la biomasa requiere grandes superficies terrestres, recursos hídricos y un análisis exhaustivo de las prácticas de explotación sostenibles.

La adopción generalizada de la captura de carbono después de la combustión depende de la superación de los obstáculos tecnológicos y económicos, no solo los relacionados con la captura, sino también con el aprovechamiento y almacenamiento. Aunque el tratamiento de gas con aminas es altamente eficiente, requiere una cantidad de energía considerable y mantenimiento periódico de los disolventes utilizados. Por otro lado, la captura con membrana requiere menos energía, pero también es menos eficiente. Además, ambos procesos son caros.

A medida que la industria se esfuerza por cumplir los objetivos de cero emisiones netas, la diversificación estratégica será crucial. Cumplir estos objetivos requerirá una combinación de optimización de procesos, mejoras generales en la eficiencia energética, adopción de recursos renovables y compromiso con la captura de carbono. Abordar los equilibrios medioambientales, tecnológicos y económicos de cada estrategia es fundamental para aumentar la sostenibilidad industrial general en el futuro.