La calefacción interior y el viento ambiental pueden hacer que la captura directa de aire sea más económica y eficiente

Lo que comenzó como una simple tarea de depositar un cheque en un cajero de banco se ha convertido en el tipo de momento “ajá” que se encuentra principalmente en libros y películas.

Los investigadores de Georgia Tech han estado trabajando en una idea para simplificar los sistemas tradicionales de captura directa de aire (DAC). Su enfoque utilizó el flujo de viento ambiental para extraer aire a través de un nuevo tipo de fibra de carbono recubierta para capturar CO₂. Esto eliminaría los ventiladores ruidosos que se usan en muchos sistemas. Las fibras de carbono podrían calentarse rápidamente para liberar el dióxido de carbono capturado con una mínima pérdida de calor, aumentando la eficiencia.

Pero lucharon con la forma de aplicar estas nuevas fibras de carbono recubiertas de sorbente para obtener el máximo efecto.

“Tuve que depositar un cheque en el banco y pasé el cruce. Tenían viejos tubos neumáticos que bajan para transportar documentos”, dijo Ryan Lively, profesor de Thomas C. DeLoach en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular (ChBE) de Georgia Tech. “No tienes un momento de bulbo muy a menudo en tu carrera, pero vi los tubos y me di cuenta de que podíamos poner los filamentos en algo así como un contenedor de tubo de caja.

“Eso es lo que hicimos y funcionó”.

Después de instalar módulos inspirados en tubos neumáticos, el equipo comenzó a probar su sistema. Descubrieron que podían producir dióxido de carbono de una pureza suficiente para el secuestro subterráneo y eliminar muchos de los costos iniciales significativos de construir sistemas DAC típicos. Describieron su diseño y enfoque en un artículo publicado el 12 de junio en la revista Joule.

“Este artículo no solo introdujo el concepto de una nueva generación de sistemas DAC, sino que también demostró hasta cierto punto el funcionamiento práctico de nuestra invención”, dijo Won Hee Lee, primer autor del artículo y ex becario postdoctoral en el laboratorio Lively. “Ya hemos capturado con éxito el CO del medio ambiente₂ con nuestro módulo a escala de laboratorio. Ahora es importante escalar el módulo. Dado que todos los componentes de nuestro sistema están disponibles comercialmente y son relativamente fáciles de fabricar, no debería haber obstáculos técnicos para construir un módulo a gran escala”.

Al menos teóricamente, el equipo hizo este aumento utilizando sus datos experimentales para diseñar la economía de un sistema práctico. Descubrieron que el sistema podía capturar CO₂ por $ 150 a $ 200 por tonelada, mucho menos que los sistemas comerciales en construcción que se espera que capturen carbono por $ 300 a $ 600 por tonelada.

Un enfoque más simple

Los coautores del estudio son científicos de ChBE, que han colocado a Georgia Tech como líder en tecnología de captura directa de aire. Los profesores Christopher Jones y Matthew Realff están trabajando con Lively en el espectro completo de DAC, desde el nivel molecular hasta el sistémico.

Este trabajo representa dos avances clave. Los sistemas DAC usan calor para liberar CO₂ de materiales filtrantes saturados. QUÉ₂ se cosecha y luego se puede bombear bajo tierra o tal vez usarse para producir combustible o productos químicos. Por lo general, los sistemas utilizan una fuente de calor externa. El vapor es una opción popular porque es rápido y potente, pero también es dañino y requiere un paso adicional de condensación. Estos sistemas también requieren aislamiento para evitar que se escape el calor, lo que los hace voluminosos y costosos.

Lively y el equipo crearon fibras de carbono únicas recubiertas con un sorbente que ama el carbono. El núcleo de fibra de carbono se calienta de adentro hacia afuera para una distribución de calor rápida y uniforme.

“Las fibras son muy, muy uniformes. Cuando conectas todo esto a un sistema eléctrico, distribuyes esa energía de manera extremadamente uniforme, lo cual es inusual para un sistema de calentamiento por resistencia”, dijo Lively. “No somos los primeros en proponer calentamiento resistivo para regenerar un dispositivo de captura de carbono. Pero por lo general el calentamiento era lento o desigual. Hay lugares donde calientas el aire en lugar de lo que estás tratando de calentar”.

El sistema científico utiliza menos componentes en general. El diseño utiliza una serie de módulos inspirados en los tubos de las llantas con fibras de carbono dispuestas en círculo para capturar el CO₂ no importa de qué lado sople el viento. El sistema utiliza una sola bomba de vacío que gira de módulo a módulo durante la fase de regeneración. Y no hay necesidad de generadores de vapor, bombas y condensadores para liberar CO₂ y “cargar” los hilos. Ambos cambios significan que el sistema es generalmente más simple y menos costoso de construir e implementar.

“El costo de capital de este sistema es mucho más bajo que muchos sistemas DAC actuales debido a la ausencia de sistemas auxiliares como la generación de vapor”, dijo Realff. “El costo de la energía sigue siendo un desafío y necesitamos aumentar la cantidad de CO₂ podemos adsorbernos en el dispositivo para que el calentamiento aparente de las fibras no absorba demasiado del calor total”.

Pero Realff dijo que el calentamiento rápido y el ciclo rápido del sistema son una gran promesa para un enfoque más productivo para la captura directa de aire. “El hecho de que pudiéramos producir un prototipo funcional y demostrarlo a escala de laboratorio en cuestión de meses es una característica notable de esta tecnología”, dijo.

Idealmente, el sistema DAC del equipo estaría ubicado al lado de un parque eólico que utiliza energía renovable de turbinas eólicas. Pero incluso usando energía de la red actual, el análisis de Reallf mostró que el diseño del equipo aún eliminaría suficiente CO₂ de la atmósfera como carbono negativo.

Otra ventaja del enfoque del equipo es el hilo de fibra de carbono. El material tiene las propiedades mecánicas y eléctricas adecuadas, está fácilmente disponible, se produce de forma sostenible en grandes cantidades y no es muy caro.

Ahora el equipo quiere mejorar la calidad del dióxido de carbono que puede producir. Han alcanzado una pureza del 80 %, suficiente para el almacenamiento subterráneo, pero les gustaría alcanzar la pureza del 99 % necesaria para su reutilización con fines de fabricación, como la fabricación de productos químicos o combustibles. Están trabajando con el Instituto de Investigación Tecnológica de Georgia para refinar y automatizar su sistema con este objetivo en mente, y están trabajando para instalar un sistema de prueba en la parte superior del edificio del campus.

“He estado trabajando en el DAC durante más de una década, y casi todos los proyectos que he visto dependen en gran medida de la energía térmica para la desorción”, dijo Jones, quien también es presidente de la John F. Brock III en ChBE. “La tecnología, que permite un calentamiento rápido y localizado y el uso de electricidad renovable, amplía las opciones de diseño del desarrollador de la tecnología DAC”.