Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia habían estado trabajando en una idea para simplificar los sistemas tradicionales de captura directa de aire (DAC). Su enfoque utilizaba el flujo de viento ambiente para arrastrar el aire a través de un nuevo tipo de fibra de carbono revestida para capturar CO2. Esto eliminaría los ruidosos ventiladores utilizados en muchos sistemas. Y las hebras de fibra de carbono podrían calentarse rápidamente para liberar el dióxido de carbono capturado con una pérdida mínima de calor, mejorando así la eficiencia.
Pero estaban luchando con la forma de desplegar estas nuevas fibras de carbono revestidas para obtener el máximo efecto.
Tuve que ir a depositar un cheque al banco, y pasé por el auto. Tenían los viejos tubos neumáticos que bajan para transportar documentos. No hay muchas veces en las que tienes un momento de inspiración en tu carrera, pero vi los tubos y me di cuenta de que podríamos poner las fibras en algo como una cápsula de tubo de banco. Eso es prácticamente lo que hicimos, y funcionó.
Ryan Lively, profesor Thomas C. DeLoach en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech.
Con los módulos inspirados en los tubos neumáticos en su lugar, el equipo comenzó a probar su sistema. Descubrieron que podían producir dióxido de carbono con la suficiente pureza para su almacenamiento subterráneo y eliminar muchos de los costos iniciales significativos de construir los sistemas DAC típicos. Describieron su diseño y enfoque en la revista Joule.
Este trabajo no solo conceptualizó una nueva generación de sistemas DAC, sino que también mostró operaciones prácticas de nuestra invención en cierta medida. Ya capturamos con éxito CO2 ambiental con nuestro módulo a escala de laboratorio. Ahora es importante escalar el módulo. Dado que todos los componentes de nuestro sistema están comercialmente disponibles y la fabricación es relativamente fácil, debería haber pocos obstáculos técnicos para fabricar el módulo a gran escala.
Won Hee Lee, el primer autor del artículo y ex investigador postdoctoral en el laboratorio de Lively.
Al menos en teoría, el equipo ha logrado esa ampliación, utilizando sus datos experimentales para proyectar la economía de un sistema práctico. Descubrieron que el sistema podría capturar CO2 por $150 a $200 por tonelada, significativamente menos que los sistemas comerciales en construcción que se estima que capturarán carbono por $300 a $600 por tonelada.
Un enfoque más sencillo.
Los coautores del estudio incluyen investigadores en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech que han posicionado a Georgia Tech como líder en tecnología de captura directa de aire. Los profesores Christopher Jones y Matthew Realff trabajan con Lively en el espectro completo de DAC, desde lo molecular hasta el nivel de sistemas.
Este trabajo presenta dos avances clave.
Los sistemas DAC utilizan calor para liberar CO2 de materiales filtrantes saturados. El CO2 se recoge y luego se puede bombear bajo tierra o quizás se puede utilizar para producir combustible o productos químicos. Normalmente, los sistemas utilizan una fuente de calor externa. El vapor es una opción popular, porque es rápido y potente, pero también es perjudicial y requiere un paso adicional de condensación. Estos sistemas también requieren aislamiento para evitar que todo ese calor se escape, por lo que son voluminosos y costosos.
Lively y el equipo crearon hebras de fibra de carbono únicas revestidas con un sorbente que atrae al carbono. El núcleo de fibra de carbono se calienta de adentro hacia afuera, lo que resulta en una distribución rápida y uniforme del calor.
Las fibras son muy, muy uniformes. Cuando conectas todo esto a un sistema eléctrico, distribuyes esa energía de manera notablemente homogénea, lo cual es inusual para un sistema de calentamiento por resistencia. No somos los primeros en pensar en el calentamiento por resistencia para regenerar un dispositivo de captura de carbono. Pero típicamente, el calentamiento era lento o no uniforme. Hay lugares donde estás calentando el aire en lugar de lo que estás intentando calentar.
Ryan Lively
El sistema de los investigadores utiliza menos componentes en general. El diseño despliega una serie de sus módulos inspirados en los tubos de banco con hebras de fibra de carbono en un círculo para capturar CO2 sin importar la dirección del viento. El sistema utiliza una sola bomba de vacío que gira de módulo en módulo durante la fase de regeneración. Y no se necesitan generadores de vapor, bombas ni condensadores para liberar el CO2 y «recargar» las hebras. Ambos cambios significan que el sistema es más simple en general y más barato de construir e implementar inicialmente.
El costo de capital de este sistema es significativamente menor que muchos de los sistemas DAC actuales debido a la falta de sistemas auxiliares como la generación de vapor. El coste de energía sigue siendo un desafío, y necesitamos aumentar la cantidad de CO2 que podemos adsorber en el dispositivo para que el calentamiento sensible de las fibras no consuma una parte demasiado grande del calor total.
Won Hee Lee
Pero Realff dijo que el calentamiento rápido y el ciclo rápido del sistema prometen mucho para un enfoque más productivo de la captura directa de aire: «El hecho de que pudiéramos producir un prototipo funcional y demostrarlo a escala de banco en meses es una característica notable de la tecnología«.
Idealmente, el sistema DAC del equipo podría situarse junto a un parque eólico, utilizando energía renovable de los aerogeneradores. Pero incluso utilizando energía de la red actual, el análisis de Reallf mostró que el diseño del equipo aún eliminaría suficiente CO2 de la atmósfera como para ser carbono negativo.
Otra ventaja del enfoque del equipo es la hebra de fibra de carbono. El material tiene las propiedades mecánicas y eléctricas adecuadas, y está fácilmente disponible, se produce de manera sostenible en grandes cantidades y no es prohibitivamente caro.
Ahora el equipo busca mejorar la calidad del dióxido de carbono que pueden producir. Han logrado un 80% de pureza, lo suficientemente bueno para el almacenamiento subterráneo, pero les gustaría alcanzar el 99% de pureza necesario para reutilizaciones productivas como la fabricación de productos químicos o combustibles. Están trabajando con el Instituto de Investigación de Georgia Tech para refinar y automatizar su sistema con ese objetivo en mente, y están trabajando para instalar un sistema de prueba en la parte superior de un edificio del campus.
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