No hace mucho, la frase "carbón limpio" parecía un oxímoron. Las centrales eléctricas de carbón emiten una mezcla de contaminantes atmosféricos de bruja que, a menos que se elimine con depuradores, empaña el aire, crea lluvia ácida y puede causar asma o ataques cardíacos. Y las plantas de carbón emiten el doble de dióxido de carbono que calienta el planeta que las centrales eléctricas de gas natural.
Sin embargo, un nuevo tipo de reactor, uno que captura más del 99 por ciento del dióxido de carbono generado al quemar carbón, podría hacer posible el "carbón limpio". El dióxido de carbono se puede almacenar de forma segura debajo de la superficie de la tierra donde no puede contribuir al cambio climático.
Este reactor capturaría carbono sin aumentar el precio de la electricidad, y esto podría hacerlo comercialmente viable. "Es una forma completamente nueva de generar energía a partir de carbón con bajo contenido de carbono", dice Karma Sawyer, quien dirige el programa de investigación de carbón limpio en la agencia de investigación ARPA-E del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), que financió el trabajo.
La quema de carbón es responsable de producir alrededor del 40 por ciento de la electricidad mundial, pero produce tres cuartos de los más de 12 mil millones de toneladas de dióxido de carbono emitidas durante la generación de electricidad y calor. Para que el carbón no se contamine, ese dióxido de carbono tendría que ser capturado antes de ser emitido y encerrado permanentemente bajo tierra. Pero a pesar de años de investigación, ninguna de las centrales eléctricas de carbón en los Estados Unidos hace esto.
Sin embargo, las centrales eléctricas de carbón todavía suministran gran parte de la electricidad del mundo, y las reservas de carbón en los Estados Unidos y en otros lugares siguen siendo abundantes y asequibles. Por estas razones, y debido a la influencia política de la industria del carbón, el DOE ha invertido más de $ 3.4 mil millones en tecnologías de captura y almacenamiento de carbono.
La tecnología de captura de carbono más avanzada de hoy, llamada depuración de aminas, es efectiva y madura, pero es demasiado costosa. En el lavado de aminas, llamado así por las alquilaminas utilizadas en el proceso, el carbón se quema primero de la manera habitual, con aire, y el gas de combustión resultante burbujea a través de un líquido que atrapa el dióxido de carbono. Luego, el líquido se calienta para liberar el dióxido de carbono, que se escapa tanto como una lata fría de refresco emite burbujas de dióxido de carbono a medida que se calienta a temperatura ambiente. Este proceso absorbe casi un tercio de la energía producida por toda la planta de energía, lo suficiente como para garantizar un aumento del precio del 80 por ciento para los consumidores. Tal aumento en el costo es insostenible, por lo que las empresas de servicios públicos han evitado instalar tales depuradores.
Hace unos años, el DOE desafió a los investigadores a diseñar una tecnología que pudiera eliminar más del 90 por ciento del dióxido de carbono emitido por una planta, al tiempo que evita que el precio de la electricidad a carbón de una planta convencional aumente más del 35 por ciento hasta la fecha. . Hasta ahora, el DOE ha invertido en investigación en más de una docena de tecnologías experimentales de eliminación de carbono. "Todavía no hay una bala de plata, por eso tenemos un gran programa", dice Lynn Brickett, directora de división de la División de Plantas Existentes del Laboratorio Nacional de Tecnología Energética del DOE en Pittsburgh, Pensilvania.
Una de las nuevas tecnologías más prometedoras comienza con el carbón pulverizado, una mezcla seca de la consistencia del polvo de talco que ya se ha quemado en muchas centrales eléctricas de carbón. El carbón pulverizado se mezcla con partículas de hierro parcialmente oxidadas del tamaño de un helado rociado dentro de un reactor caliente a 1, 650 grados Fahrenheit. La mezcla de carbón y hierro experimenta una reacción química que elimina el óxido y produce dióxido de carbono y vapor, que luego se enfría y el agua líquida se condensa, dejando una corriente altamente purificada de dióxido de carbono.
Las partículas de hierro libres de óxido luego se mueven a un segundo reactor, donde se queman bajo el aire, haciendo que se oxiden nuevamente. Esta reacción de oxidación produce suficiente calor para hervir agua, y el vapor resultante impulsa una turbina que produce electricidad.
El material de captura de carbono no necesita ser calentado por separado para liberar dióxido de carbono puro, como lo hace en el lavado de aminas, y por esa razón "los requisitos de energía de captura son casi insignificantes", explica Liang-Shih Fan, el químico de la Universidad Estatal de Ohio. ingeniero que encabezó esta investigación.
Los subproductos de la técnica pueden reutilizarse, proporcionando una rentabilidad adicional. La corriente de dióxido de carbono puro se puede vender a los productores de petróleo, quienes pueden inyectarla en pozos en su mayoría gastados para permitir la extracción de los últimos trozos de petróleo valiosos pero difíciles de recolectar. El proceso también puede modificarse para producir hidrógeno puro además de electricidad y dióxido de carbono, y ese hidrógeno puede quemarse limpiamente para obtener electricidad o venderse como materia prima para la producción química industrial.
"El trabajo de los fanáticos en el estado de Ohio es el único proceso en el mundo que puede permitir que estos tres [electricidad, dióxido de carbono e hidrógeno] se produzcan por separado", dice Sawyer.
Los ingenieros también se dejaron otras opciones. Algunos ajustes en el diseño del reactor le permiten funcionar en plantas de gasificación de carbón, un nuevo tipo de planta de energía que quema parcialmente carbón para producir gas natural sintético, o gas de síntesis, y luego quema el gas de síntesis para producir electricidad. Aunque solo dos grandes plantas de gasificación de carbón están en construcción en los Estados Unidos en este momento, en Mississippi e Indiana, los expertos predicen que muchas futuras plantas de carbón utilizarán la tecnología.
Fan y sus colegas construyeron recientemente un reactor piloto a escala de laboratorio en el campus del estado de Ohio, y en febrero informaron que lo pusieron en funcionamiento durante nueve días. Puede que no parezca mucho tiempo, pero es la ejecución más larga de este tipo de tecnología de captura de carbono. Y el reactor eliminó más del 99 por ciento del dióxido de carbono producido.
A pesar del éxito, la nueva tecnología tiene muchos obstáculos para saltar antes de que pueda ser utilizada comercialmente. El reactor tiene que pasar una prueba a gran escala con gases de combustión de centrales eléctricas reales, que tienen contaminantes que podrían dañar las piezas metálicas del reactor, por ejemplo, y tiene que soportar hasta años de operaciones de alta temperatura y alta presión.
Dicha prueba está en marcha para la tecnología de bucle de gas de síntesis del equipo. Los ingenieros del estado de Ohio se unieron a media docena de compañías que fabrican suministros o piezas para plantas de energía a carbón para construir una planta piloto de $ 14 millones, seis pisos y 250 kilovatios en el Centro Nacional de Captura de Carbono del DOE en Wilsonville, Alabama. Este reactor de prueba funcionará con gas de síntesis producido en una planta de gasificación de carbón a escala de demostración administrada por Southern Company en el centro, y funcionará a las altas temperaturas y altas presiones típicas de las plantas comerciales. (Divulgación: Southern Company es anunciante en Smithsonian.com, pero esta historia se encargó de forma independiente). "Estamos probando condiciones muy aplicables comercialmente", dice Andrew Tong, investigador del grupo de Fan que está ayudando a coordinar la prueba.
Incluso si el esfuerzo es exitoso, se necesitarían más pruebas piloto porque una planta de energía de carbón real es aproximadamente 1, 000 veces más grande que la planta piloto de Alabama planeada. La tecnología del estado de Ohio "todavía tiene un largo camino por recorrer para generar electricidad en una central eléctrica de carbón o gas natural comercial", dice Sawyer.
Si la tecnología tiene éxito a gran escala y es capaz de eliminar todo el dióxido de carbono y los contaminantes del aire de la combustión del carbón, los reactores de bucle químico aún no serían la forma más limpia, barata o saludable de producir electricidad. Los mineros del carbón mueren por enfermedad del pulmón negro y colapsan las minas, y cadenas montañosas enteras se decapitan para extraer carbón. Incluso el carbón limpio produce cenizas que se acumulan en estanques de almacenamiento o vertederos, amenazando la contaminación de las aguas subterráneas y los ríos. Cuando se tienen en cuenta los costos ambientales y de salud, las energías renovables como la eólica y la solar siguen siendo más baratas.
Pero con siete mil millones de personas hambrientas de energía barata y plantas de energía a carbón que arrojan millones de toneladas de gas para hornear planetas a la atmósfera cada día, no se pueden descuidar nuevas formas de quemar carbón limpiamente. "Tienes que encontrar algo que pueda manejar todos los desafíos", dice Sawyer. "Es por eso que estos proyectos son tan emocionantes".
