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Filtración de CO2 por membranas para centrales eléctricas

La Unión Europea (UE) ha establecido objetivos para una reducción drástica, aunque económica, de las emisiones de CO2 de las centrales eléctricas a partir de carbón. Un tipo especial de membrana de composite puede lograrlo.
Filtración de CO2 por membranas para centrales eléctricas
El CO2 es un importante gas de efecto invernadero, liberado en grandes cantidades por las centrales de carbón. Aunque con el tiempo estas centrales quedarán obsoletas, mientras siguen en servicio, los operadores suelen eliminar la mayor cantidad posible de CO2 de sus emisiones.

Un nuevo tipo de material llamado membranas poliméricas puede filtrar selectivamente algunos gases del aire. Sin embargo, las membranas solo pueden cumplir el requisito de selectividad o permeabilidad, no ambos. Teóricamente, las membranas de matriz mixta podrían superar la limitación, aunque todavía no se ha logrado aumentar el rendimiento.

Membranas de matriz mixta

Se espera que un nuevo tipo de membrana, relativamente sin probar, llamado M4 —membranas de matriz mixta a base de marcos organometálicos (MOF, por sus siglas en inglés)— resuelva las incompatibilidades entre las membranas y los polímeros. Las MOF son materiales cristalinos porosos formados a partir de enlazadores orgánicos y nodos inorgánicos. Las MOF funcionan básicamente como tamices cuidadosamente diseñados que, según la aplicación, permiten el paso de algunas moléculas pero no de otras.

El proyecto financiado con fondos europeos M4CO2 diseñó un sistema de filtración de CO2 energéticamente eficiente basado en una membrana M4. El objetivo era permitir el cumplimiento de los planes de la UE para una reducción del 90 % de las emisiones de CO2 a menos de 25 euros por tonelada de CO2. El proyecto también desarrolló nuevas MOF y polímeros, y mejoró la comprensión teórica de la interacción entre los componentes. El equipo creó, además, prototipos de demostración del principio y técnicas para su aplicación a mayor escala.

«Nuestro principal resultado, entre muchos otros, fue el desarrollo y la demostración con éxito de una nueva tecnología M4 adecuada para la captura continua de CO2», declara el responsable del proyecto, el profesor Freek Kapteijn.

Filtración eficaz y económica

Los investigadores estimaron que los costes de la eliminación del CO2 de precombustión mediante la nueva tecnología de M4 serían inferiores a 20 euros por tonelada de CO2. Sin embargo, según las presiones de un proceso en tres etapas, los costes podrían reducirse aún más hasta 16 euros por tonelada. Es probable que la eliminación posterior a la combustión se sitúe en torno a los 28 euros por tonelada. Un proceso de dos etapas que combine membranas de bajo flujo altamente sensibles con sus opuestos sería comparable con los mejores procesos de depuración de carbono. La depuración consiste en un líquido circulante que absorbe el CO2 a baja temperatura y lo libera a alta temperatura.

Asimismo, el equipo diseñó módulos de membrana de fibra hueca, que contienen haces de fibras huecas en una carcasa cilíndrica. La mezcla gaseosa a separar se introduce en un extremo del módulo, luego fluye alrededor de las fibras y sale por el otro extremo. «La ampliación de la producción de membrana de fibra hueca resultó ser un reto importante», señala el profesor Kapteijn. «Las membranas funcionaron bien en el laboratorio, pero no como se esperaba en las pruebas sobre el terreno». A pesar de los contratiempos, el equipo aprendió a fabricar los materiales y módulos.

La tecnología de membranas de M4CO2 puede aplicarse a cualquier gas que contenga CO2. Esta tecnología no solo elimina el CO2 de los gases de carbón después de la combustión y antes de su liberación a la atmósfera, sino que también elimina el CO2 de los gases de precombustión. Esto produce un gas rico en hidrógeno adecuado para una combustión limpia.

En otros contextos, la tecnología de M4CO2 podría aplicarse a unidades de producción de hidrógeno, como las desarrolladas por el proyecto HyGear de la UE. Cada tipo de separación requiere su propio diseño de membranas optimizado.

Aunque el proyecto ha concluido, el trabajo continuará en MEMBER, un nuevo proyecto financiado por Horizonte 2020 con muchos de los mismos socios. El nuevo proyecto continuará desarrollando diversas aplicaciones en la captura continua de CO2 y examinará las perspectivas de comercialización.

Palabras clave

M4CO2, CO2, MOF, emisiones, membranas de matriz mixta, filtración, centrales eléctricas de carbón, membrana polimérica, marcos organometálicos
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