Este trabajo se está llevando a cabo con la ayuda de una subvención de 5 millones de dólares del Departamento de Energia de los Estados Unidos, dentro de la nueva Agencia para Proyectos de Investigación Avanzados-Energí. La tecnología se ha podido demostrar en el laboratorio; los investigadores utilizarán los nuevos fondos para demostrarla en una planta eléctrica piloto de 250 kilovatios.
Una planta de carbón basada en este proceso, que se denomina ciclo químico, produciría una flujo de dióxido de carbono altamente concentrado. Este flujo sería más fácil de capturar y almacenar bajo tierra que el método estándar para la captura de dióxido de carbono diluido en el gas de combustión de las plantas de carbón convencionales. El nuevo método podría abaratar costes en las plantas de carbón y cumplir las regulaciones pendientes en cuanto a emisiones de CO2.
El ciclo químico podría suponer una gran mejora frente a otros sistemas de captura de dióxido de carbono en plantas eléctricas convencionales. Los sistemas típicos reducen la salida de energía de las plantas de carbón hasta en un 30 por ciento y, dada dicha reducción y el coste del equipamiento adicional, incrementan el coste de la electricidad en un 85 por ciento. Con el uso del ciclo químico, afirma Fanxing Li, científico investigador de la Universidad del Estado de Ohio, “no hay penalizaciones en cuanto a la energía,” y como resultado, “con suerte podremos demostrar que es más económico.”
La mayoría de las plantas de carbón queman el carbón pulverizado en el aire, y puesto que el aire está compuesto principalmente de nitrógeno, los gases de combustión se ven afectados por ello—sólo alrededor de un 14 por ciento es dióxido de carbono. “Hay que malgastar mucha energía para separar el nitrógeno del dióxido de carbono,” señala Li. Con el ciclo químico, el carbón no se expone directamente al aire. En vez de eso, los ciclos consisten en una serie de reacciones químicas en las que un material sólido, que actúa como intermediario, captura primeramente el oxígeno a partir del aire y después lo transfiere al combustible—sin el nitrógeno ni otros gases en el aire. Las reacciones producen calor, que se puede utilizar para generar energía, junto a un flujo de CO2 concentrado que se puede capturar fácilmente.
En la versión del ciclo químico que los investigadores utilizarán en la planta piloto, el carbón primero es gasificado, un proceso común que implica la conversión del carbón en syngas—una combinación de monóxido de carbono y gas hidrógeno. Después el syngas se expone a partículas de óxido de hierro—es decir, óxido—que actúa como portador de oxígeno. Al reaccionar con el syngas, el óxido de hierro suelta su oxígeno, formando hierro metálico. El oxígeno oxida el monóxido de carbono, formando dióxido de carbono, y el hidrógeno, formando vapor. En esta fase, el vapor y el dióxido de carbono abandonan el sistema. El vapor se puede eliminar fácilmente al ser condensado, dejando tras de sí un dióxido de carbono altamente concentrado que se puede capturar y almacenar.
Durante el siguiente paso del ciclo químico, el hierro se traslada a otra cámara. Se expone al oxígeno en el aire, formando óxido de hierro en una reacción química que produce calor, que después se utiliza para generar electricidad. (De forma alte ativa, el hierro se puede exponer al vapor para producir hidrógeno de uso en células de combustible, o se puede transformar en combustible líquido en una refinería.) El óxido de hierro después vuelve a la primera cámara para reaccionar con más cantidad de syngas, con lo que el ciclo se cierra.
David Thimsen, director de proyecto senior para la generación de carbón avanzado en el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica, afirma que existen dos retos principales para la implementación de este tipo de sistema en una planta a escala completa. El primero reto consiste en diseñar los mecanismos necesarios para trasladar el hierro y el óxido de hierro alrededor de la planta. El segundo consiste en asegurarse de que los materiales no son demasiado caros. Thimsen afirma que el método utilizado por los investigadores de la Universidad del Estado de Ohio puede que no sea la mejor versión del ciclo químico. Los óxidos de metal pueden resultar muy caros. Y la gasificación del carbón antes de pasar a las reacciones con los óxidos podría incurrir en penalizaciones de energía, puesto que requiere el proceso de separación del oxígeno del aire.
Existe otro método de ciclo químico que está siendo desarrollado por Alstom Power, también con la ayuda de una subvención de 5 millones de dólares del DOE. En este sistema, señala Thimsen, el material portador del oxígeno está derivado de la piedra caliza, que es más barata. Este sistema ha probado su éxito en una pequeña planta piloto, y se pondrá a prueba en una planta prototipo más grande de 3.000 kilovatios. Los investigadores de la Universidad del Estado de Ohio también están en la fase inicial de desarrollo de un método que no requiere el paso de gasificación. Este método podría resultar entre un 10 y un 20 por ciento más eficiente que la versión de la planta piloto, afirma Li.