Dejó a su abuelo, dejó a su abuela ... ¡Pero no pudo alejarse de las soluciones tecnológicas de Toshiba! [suena música edificante de la suite de G. Sviridov “¡Tiempo, adelante!”] ”. Estamos hablando de dióxido de carbono (CO2), que se forma como resultado de casi cualquier actividad industrial, trayendo el apocalipsis climático predicho por los científicos debido al "efecto invernadero". En esta ocasión hablaremos de tecnologías que permiten no solo "atrapar" el CO2 a la salida, sino también convertirlo en un material reciclable para la agricultura, la energía e incluso para salvar el clima del planeta.
Reunido de alguna manera un francés, un inglés y un sueco
En 1824, el científico francés Joseph Fourier comparó la Tierra con una caja con tapa de vidrio: cuando los rayos del sol caen sobre ella, la superficie interior de la caja se calienta porque el calor no puede salir de ella. Bajo la "cubierta" es necesario comprender la atmósfera, y Fourier demostró teóricamente que el clima del planeta depende de esta "cubierta".
35 años después, el físico inglés John Tyndall, inspirado por los recientes descubrimientos de las glaciaciones, investigó el efecto de los gases sobre la radiación térmica. En ese momento, la gente pensaba que los gases eran completamente permeables a la radiación térmica. El científico decidióProbar esta hipótesis en el laboratorio uno a uno en los principales gases atmosféricos (oxígeno, nitrógeno, hidrógeno), y se confirmó. Cuando estaba a punto de irse, fijó su mirada en un dispositivo de laboratorio completamente nuevo: el mechero Bunsen. Corría con gas de carbón, que también se llamaba "gas de lámpara" porque se usaba en linternas.
El mechero Bunsen se hizo funcionar con una variedad de mezclas de gases, incluidos metano, monóxido de carbono e hidrógeno. Fuente: Daderot / Wikimedia Commons
Después de probar la conductividad térmica del gas de carbón, Tyndall descubrió que previene la radiación de calor y luego descubrió que el dióxido de carbono, en combinación con el vapor de agua, también lo bloquea.
Aunque el mechero Bunsen - uno de los frutos de la revolución industrial - casi directamente "insinuaba" a Tyndall sobre las posibles consecuencias de esta revolución para el clima, fue solo medio siglo después que el científico sueco Svante Arrhenius logró llegar a ciertas conclusiones - en 1896 calculó que una disminución del contenido de dióxido de carbono a la mitad la atmósfera podría conducir a edades de hielo y, en consecuencia, la quema de combustibles fósiles en el planeta podría ser contraproducente.
Es cierto que en ese momento las suposiciones de Arrhenius parecían fantásticas. El problema volvió a aparecer solo a mediados del siglo XX, cuando las emisiones de dióxido de carbono superaron el nivel del siglo XIX muchas veces. En la década de 1960, se desarrollaron por primera vez modelos que demostraban que ya en el siglo XXI, debido al dióxido de carbono en la atmósfera, la temperatura del planeta aumentará varios grados.
El aumento de las emisiones de dióxido de carbono es una consecuencia directa de la industrialización en los países desarrollados, y luego en la URSS y China. Fuente: CAIT Climate Data Explorer, Instituto de Recursos Mundiales (WRI)
Mientras tanto, los científicos estaban celebrando holivares sobre si el CO2 fuera de control mataría el clima al que estamos acostumbrados y cómo lo haría, los petroleros idearon CCS, una tecnología para capturar y almacenar carbono. En la década de 1950, el dióxido de carbono comenzó a usarse en campos donde el petróleo es difícil de separar de diversas impurezas: a diferencia de otros gases, el CO2 se disuelve bien en el petróleo y el agua de formación, lo que conduce a un aumento de su volumen y a la expulsión de aceite móvil residual. En la década de 1970, los científicos comenzaron a pensarsobre el uso de dióxido de carbono, que se forma durante la combustión del gas asociado en las antorchas. Así nació la tecnología de captura de postcombustión. Hoy en día se utiliza cada vez más por motivos medioambientales y no solo en la producción de petróleo. ¿Cómo? Te contamos el ejemplo de los proyectos de Toshiba en Japón y EE. UU.
Absorberlo
No todo el mundo sigue el ejemplo de los trabajadores del petróleo y utiliza dióxido de carbono como subproducto. Por ejemplo, las centrales térmicas simplemente no lo necesitan, como muchas otras industrias, por lo que el dióxido de carbono ingresa a la atmósfera. Según la Agencia Internacional de Energía, en 2019, la masa total de emisiones de CO2 asociadas con la producción de energía fue de 33 mil millones de toneladas.
Si en los países desarrollados las emisiones de CO2 en el sector energético se estancaron (parte de las barras debajo de la línea blanca), en los países en desarrollo solo aumentaron (por encima de la línea blanca). Fuente: Agencia Internacional de Energía (IEA)
Para reducir las emisiones innecesarias y darle una segunda vida al dióxido de carbono, utilizamostecnología secundaria de captura y almacenamiento de carbono. Se basa en la absorción química. Dado que las emisiones consisten en una mezcla de gases, para capturar exactamente el CO2, corremos una solución acuosa de aminas en el absorbedor con el “escape” de la central térmica. Es capaz de capturar selectivamente CO2 a una determinada temperatura y, a la inversa, "liberarlo" a una temperatura diferente en el stripper.
De esta manera, puede "atrapar" dióxido de carbono en diferentes tipos de estaciones: carbón, petróleo, gas. Fuente: Toshiba Energy Systems & Solutions
En septiembre de 2009, Toshiba creóuna planta piloto para la separación y captura de CO2 en la planta de energía Mikawa de 50 MW ubicada en la ciudad de Omuta, prefectura de Fukuoka, Japón. Aquí se capturaron 10 toneladas de CO2 por día. Para Toshiba, se trataba de un proyecto piloto para ajustar la tecnología de captura de dióxido de carbono a escala industrial.
A tan solo 35 kilómetros de la central eléctrica de Mikawa se encuentra la ciudad de Saga, que desde 2013 ha tomado un curso para minimizar las emisiones de sustancias nocivas a la atmósfera. Después de conocer las tecnologías de captura de carbono en la planta piloto de Omut, los funcionarios de Saga acudieron en persona para conocer los detalles. Y, impresionados por lo que vieron, querían utilizar una instalación de este tipo en una planta de incineración de residuos en su ciudad.
Para hacer esto, la tecnología tuvo que adaptarse y Toshiba instaló un pequeño sistema de prueba para capturar de 10 a 20 kg de CO2 por día a partir del gas residual de la incineración de residuos. En el transcurso de 8000 horas de funcionamiento, se exploró la tecnología y el uso comercial de la captura de CO2. El absorbente utilizado fueron aminas alcalinas, que son muy adecuadas para capturar CO2 en la mezcla de gases de combustión, donde el dióxido de carbono es solo del 8-14%. Este pequeño sistema de prueba funcionó bien y, en agosto de 2016, una gran instalación de captura de carbono construida por Toshiba entró en operación comercial.
El incinerador Saga recoge 10 toneladas de CO2 todos los días. El dióxido de carbono de alta pureza se envía luego a la granja de algas. El dióxido de carbono con luz funciona como fertilizante, aumentando los rendimientos de 2 a 3 veces. Fuente: Toshiba Energy Systems & Solutions
Además, el dióxido de carbono se utiliza en la industria alimentaria (conservante E290), la producción de extintores, así como un refrigerante en congeladores, etc. Así, apareció en Saga la primera planta de incineración del mundo, emisiones nocivas que logró comercializar. Pero no nos detuvimos ahí, decidiendo dar vida a un concepto ecológico que todavía se considera fantástico.
Bioenergía en el buen sentido de la palabra
Existe un concepto de limpieza de la atmósfera del dióxido de carbono, que se llama "bioenergía con captura y almacenamiento de carbono" (en inglés Bioenergía con captura y almacenamiento de carbono, BECCS). No se apresure a agarrar la pistola: la percepción extrasensorial y el biocampo no tienen nada que ver con eso; solo estamos hablando de una variación exótica de UHY.
Se supone que es posible reducir la cantidad de CO2 en la atmósfera actuando contra este gas en dos frentes: por un lado, para hacer crecer plantas que absorban CO2 durante la fotosíntesis, por otro lado, para quemar estas plantas, y el CO2 resultante se entierra en las capas profundas de la corteza terrestre, o transformar en algo útil. Por ejemplo, fertilizante para un nuevo lote de plantas. El debate en torno a esta teoría, quizás, es incluso más feroz que sobre el calentamiento global en sí, por lo que no vamos a entrar en su esencia, solo hablaremos de nuestro proyecto piloto en esta bioenergía “correcta”.
Paralelamente a las obras en Saga, se estaba renovando la central térmica de Omut. En 2017, se cambió del carbón al biocombustible. Cientos de miles de toneladas de cáscaras indonesias de los granos de la palma de aceite que se utilizan para obtener aceite de palma comenzaron a enviarse al horno de esta estación. La planta de biocombustible Omut será la primera planta de energía en el mundo en utilizar tecnologías BECCS: podrá capturar más de 500 toneladas de dióxido de carbono por día, más de la mitad de todas las emisiones de CO2 de la planta.
O líquido o una visión
El dióxido de carbono reciclado en sí mismo puede convertirse en una fuente de energía y, además, es ecológico. Para hacer esto, debe llevarse a un estado supercrítico, es decir, a la forma agregada de una sustancia, en la que tiene las propiedades de un gas y un líquido. El CO2 es relativamente fácil de convertir a este estado: requiere una temperatura de 31 ° C a una presión de aproximadamente 7,4 MPa (73 atm).
Aunque el CO2 supercrítico parece un líquido en apariencia, se le llama correctamente fluido supercrítico (SCF). Fuente: canal de YouTube Flachzange1337
En 2018, Toshiba, junto con la empresa estadounidense NET Power, probó con éxito una cámara de combustión a escala comercial en una central eléctrica de 50 MW en La Porte, Texas, EE. UU., Diseñada para confirmar el funcionamiento de un sistema de generación de energía de CO2 supercrítico. ... Toshiba ha estado desarrollando la turbina y la cámara de combustión desde 2012.
El sistema de generación de energía de CO2 supercrítico utiliza gas natural y es más eficiente que otros sistemas de gas natural, y captura CO2 a alta presión mientras elimina los óxidos de nitrógeno y otros contaminantes.
Funciona así: SCF CO2, gas natural y oxígeno se introducen en la cámara de combustión. Al quemar esta mezcla, la cámara genera un fluido de trabajo gaseoso, que consiste principalmente en dióxido de carbono y vapor. Se transfiere a alta presión y alta temperatura a una turbina, donde hace girar el eje y genera electricidad.
El gas de escape en la turbina luego se enfría y se divide en dos partes: agua y CO2. Este último se vuelve a comprimir y se devuelve a la cámara de combustión, comenzando de nuevo el ciclo. El exceso de CO2 puede enterrarse bajo tierra o transferirse a un consumidor externo, y el agua limpia puede desecharse.
El esquema de la instalación utilizando el fluido supercrítico CO2. Fuente: Toshiba Energy Systems & Solutions
¡No fumes aquí!
Entonces, descubrimos que el dióxido de carbono es reciclable, después de lo cual puede dirigirse a las necesidades de la agricultura, la industria y la energía. En consecuencia, al evitar que ingrese a la atmósfera, no solo reducimos el efecto invernadero, sino que también obtenemos ganancias. En pocas palabras, el dióxido de carbono es una fuente potencial de ingresos.
¿Dónde se produce gran parte de este gas? Por ejemplo, en Rusia: según la petrolera BP, en 2018 Rusia ocupó el cuarto lugar del mundo en términos de emisiones de gases de efecto invernadero (1,550 millones de toneladas por año), solo por detrás de China, Estados Unidos e India en términos de este indicador y por delante de Japón por una línea. ... ¿No es ésta una razón para empezar a "capturar" CO2 a escala industrial, cuando el precio del petróleo marca récords negativos?