En la región de Renania, el carbón no sólo es un combustible importante para la generación de electricidad. También es utilizado por la industria química para producir importantes sustancias químicas básicas. Pero en el momento en que se elimine el carbón, estas sustancias tendrán que obtenerse de otras fuentes renovables. Un ejemplo es el monóxido de carbono, o CO para abreviar, necesario para la producción de ciertos plásticos y ácido acético.
Para ello, los científicos del Forschungszentrum Jülich están trabajando en una tecnología respetuosa con el clima basada en energía generada a partir de fuentes renovables. Mediante la electrólisis de CO2, el gas de efecto invernadero CO2 se convierte directamente en monóxido de carbono. Los investigadores han superado un importante obstáculo y han desarrollado una pila de células escalable para aplicaciones a gran escala.
La investigación forma parte del proyecto de cambio estructural iNEW, cuyo objetivo es fomentar el crecimiento y la conservación de puestos de trabajo en la región de Renania mediante la introducción de procesos basados en energías renovables.
“La industria suele producir CO in situ a gran escala. Es difícil de transportar porque es un gas tóxico y muy inflamable”, explica Maximilian Quentmeier, estudiante de posgrado del Instituto Jülich de Investigación sobre Energía y Clima (IEK-9). Habitualmente, el carbón se quema con un suministro insuficiente de oxígeno para producir el gas.
Pero tras la eliminación progresiva del carbón, serán necesarios otros procesos en su lugar.
En el futuro, el CO seguirá siendo necesario como producto químico básico. Entre otras cosas, es necesario para la producción de policarbonatos y poliuretanos, que se utilizan, por ejemplo, para fabricar lentes de gafas y paneles aislantes.
Junto con su supervisor Bernhard Schmid, Maximilian Quentmeier está trabajando en un proceso que también se conoce como electrólisis de CO2 a CO2. El método utiliza un electrodo de difusión de gas: un electrodo poroso alimentado con CO2 en la parte posterior y adyacente a un electrolito líquido o sólido en la parte anterior. El electrodo conecta los dos medios y la corriente eléctrica y garantiza así que al final se produzca monóxido de carbono, CO, “verde”.
Posible vía climáticamente negativa
El proceso no sólo resulta atractivo para la industria química, sino que también contribuye a la protección del clima . “Cuando funcionan con energía renovable, las plantas de electrólisis de CO2 son neutras desde el punto de vista climático. Si el dióxido de carbono se extrae de la atmósfera, por ejemplo, mediante la captura directa del aire, o de la elaboración de biogás, la tecnología es incluso potencialmente negativa para el clima”, explica Bernhard Schmid.
En definitiva, la tecnología podría contribuir a reducir activamente la concentración de CO2 en la atmósfera. “En principio, los futuros plásticos renovables se convertirán en un sumidero de carbono similar a la madera”, afirma Bernhard Schmid.
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Un hito hacia la aplicación práctica
Quentmeier y Schmid ya han alcanzado un hito importante en el camino hacia la comercialización. Han conseguido transformar la célula única en un electrolizador tipo pila, introduciendo múltiples mejoras y sustituyendo componentes, y lo han sometido a diversas pruebas de rendimiento. Los resultados se han publicado recientemente en ACS Sustainable Chemical Engineering.
En una pila, las células están compactas unas encima de otras. La fabricación de una pila de células pequeñas es mucho más barata que la de una célula grande. “Hay que tener en cuenta varios aspectos a la hora de diseñar una pila a partir de una sola célula. Por ejemplo, las celdas para la reacción gaseosa tienen múltiples cámaras que no suelen tener soporte en tamaño de laboratorio… Las células de una pila deben soportar la fuerza de compresión y, al mismo tiempo, seguir siendo permeables”, explica Maximilian Quentmeier.
Partiendo de unas condiciones de proceso realistas, los investigadores de Jülich optimizaron el diseño del campo de flujo de gas y del colector de corriente eléctrica para este fin. En lugar del electrolito líquido habitual, se utiliza como elemento de soporte un electrolito polimérico sólido de flujo continuo hecho de resina sintética conductora de iones, que soporta estructuralmente el hueco del electrolito.
Gracias a un ingenioso diseño del ánodo, los investigadores también pudieron omitir por completo la cámara de electrolito entre la membrana y el ánodo. En el caso de la pila, los electrodos positivo y negativo, cátodo y ánodo, de células adyacentes se sustituyeron por un único componente (la placa bipolar) que conecta dos células..
En la configuración experimental actual, que utiliza componentes modulares no optimizados para la eficiencia, la pila alcanza una eficiencia del 30%. “Para este tipo de proceso, que ya funciona por debajo de 100 °C, ya es un resultado bastante prometedor”, explica el Director del Instituto, Prof. Rüdiger-A. Eichel.
“En comparación con la coelectrolisis a alta temperatura, por ejemplo, el diseño de la planta es relativamente sencillo y produce CO puro en lugar de gas de síntesis, lo que simplifica aún más el procesamiento para muchas aplicaciones. Así, se puede proporcionar un suministro descentralizado del CO químico de plataforma a las empresas industriales de la región de Renania, ahorrando costes de transporte”, afirma Rüdiger-A. Eichel.
Los próximos pasos son nuevos desarrollos y mejoras de la eficiencia para llevar la pila de células a la fase final de preparación para la producción en serie.
Noticia tomada de: TechXplore / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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