Los investigadores de Berkeley Lab están desarrollando una serie de tecnologías para la detección directa del aire.

La necesidad de tecnologías de emisiones negativas para hacer frente a nuestra crisis climática es cada vez más claro. Al ritmo al que nuestro planeta está emitiendo dióxido de carbono, agregando alrededor de 50 gigatoneladas cada año, debemos eliminar gigatoneladas de dióxido de carbono para 2050 para lograr emisiones «netas cero».

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Bryan McCloskey, ingeniero de la facultad de química, área de tecnologías energéticas, LBNL, y profesor asociado de ingeniería química y biomolecular, UC Berkeley, es fotografiado el 11/03/2022 en el campus de UC Berkeley en Berkeley, California. McCloskey recibió un Lab LDRD por un proyecto de Iniciativa de Carbono Negativo que incluye investigación y tecnologías para lograr emisiones negativas. Este proyecto espera encontrar una nueva forma de capturar dióxido de carbono directamente del aire.

El Departamento de Energía de EE. UU. ha reconocido la urgencia de la eliminación de carbono con su Carbon Negative Shot, parte de su iniciativa Energy Earthshots, cuyo objetivo es acelerar el avance de la energía limpia. Y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) lo reconoce con su propia Iniciativa de Carbono Negativo. Con capital inicial a través de un programa llamado LDRD, o Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio, Berkeley Lab está financiando una serie de nuevas tecnologías para eliminar y capturar dióxido de carbono de la atmósfera.

Los proyectos financiados incluyen un enfoque químico para la captura directa de aire y la realización de análisis tecnoeconómicos para que estos proyectos sean más efectivos y viables. El científico de Berkeley Lab, Bryan McCloskey, quien también es profesor en la Facultad de Química de UC Berkeley, decidió utilizar un enfoque electroquímico para capturar el dióxido de carbono. Su tecnología, dice, podría consumir menos energía que los sistemas actualmente en uso.

P. ¿Qué es la electroquímica y cómo se puede usar para capturar dióxido de carbono?

En pocas palabras, la electroquímica se trata de reacciones que crean o consumen electrones. Los dispositivos electroquímicos más comunes incluyen baterías, celdas de combustible y sensores. De hecho, mi principal enfoque de investigación está en las baterías.

Cuando se trata de extraer CO con métodos electroquímicos2 desde el aire, esta es un área emergente en comparación con los métodos más establecidos de secuestro de carbono, como la reforestación, la meteorización y BECCS (bioenergía con captura y almacenamiento de carbono). La comunidad electroquímica se está poniendo al día. Pero creo que hay grandes oportunidades allí.

Hay gente que ha investigado cómo tomar CO2 del aire mediante la construcción de moléculas que pueden reaccionar reversiblemente con el CO2lo que significa que pueden absorber CO2 a un cierto voltaje aplicado y luego forman CO2 a un voltaje diferente. Uso de enfoques electroquímicos para CO2 La captura permite que todo el proceso funcione con electricidad renovable, en lugar de enfoques térmicos que dependen de la quema de combustible para recuperar el CO2 moléculas adsorbentes.

Nuestro proyecto utiliza la reacción espontánea entre CO2e iones de hidróxido para eliminar el CO2luego usa métodos electroquímicos para regenerar iones de hidróxido de la solución de bicarbonato en formación.

P. ¿Puede explicar cómo funcionaría eso?

Primero, soplaría aire a través de un absorbedor, en nuestro caso, una solución de hidróxido de sodio. El co2 reacciona para formar bicarbonato de sodio o carbonato de sodio. Luego introducimos esta solución de bicarbonato en nuestra celda electroquímica para regenerar el hidróxido de sodio.

En una celda electroquímica, deben ocurrir dos reacciones diferentes en cada electrodo de la celda. En un electrodo oxidamos bicarbonato para formar una corriente presurizada de CO2, que luego puede ser secuestrado o utilizado como materia prima para otros procesos de conversión. En el otro electrodo desarrollamos gas hidrógeno que consume protones para regenerar la solución alcalina. La producción de hidrógeno es sin duda una ventaja de nuestro sistema de regeneración alcalina, ya que es un producto de alta calidad que se puede utilizar como combustible neutro en carbono.

Nuestra celda electroquímica funciona como un circuito cerrado con el absorbedor, aunque también se requiere un suministro de agua para reponer el agua que participa en las reacciones de los electrodos. Así que esencialmente tomamos CO2 del aire y lo concentra en CO puro2 electricidad y una corriente de hidrógeno.

P. ¿Cuál es el beneficio de este tipo de sistema?

Creemos que puede mejorar la eficiencia energética y los costes de CO2 Captura aérea versus otros métodos competidores. Los procesos comerciales de recolección directa de aire utilizan procesos térmicos para regenerar el absorbente. Requiere calor muy alto, alrededor de 800 grados centígrados. Esa es una de las razones por las que los sistemas actuales cuestan hasta $600 por tonelada de CO2 (aunque algunas empresas han publicado afirmaciones de que su tecnología cuesta menos de $200 por tonelada).

Usando un cálculo aproximado en la parte posterior de la cubierta, hemos estimado que si todo sale bien, nuestro sistema podría tener un costo de alrededor de $100 por tonelada de CO2 cautivo. Siempre que, por supuesto, encontremos materiales celulares ideales y económicos.

P. Entonces, ¿cuáles son los desafíos para hacer que esto funcione y qué tan seguro está de que funcionará?

Hay tres innovaciones que estamos buscando. El primero es el diseño de la celda electroquímica. La estabilidad de la célula debe ser grande. Hay una caída lenta en el rendimiento operativo en cualquier sistema electroquímico y, por lo tanto, debe intentar diseñar un sistema robusto que resulte en una alta eficiencia energética y le permita lograr el menor costo posible.

La segunda es la membrana. La membrana aísla los dos electrodos de la celda entre sí. De lo contrario, mezclarías hidrógeno y CO.2, y son mucho más valiosas que las corrientes puras. La membrana prototípica en tales situaciones se llama Nafion: se usa en celdas de combustible y muchas otras aplicaciones. Nafion tiene un gran rendimiento, pero es muy caro, por lo que no es práctico usarlo a gran escala. Necesitamos desarrollar una membrana más barata.

En tercer lugar, necesitamos un catalizador adecuado para el bicarbonato a CO2 Reacción. Un gran catalizador significa que si aplica un pequeño voltaje a la superficie del electrodo, tiene una velocidad de reacción realmente alta.

Estoy muy seguro de que podremos hacer que nuestro esquema de regeneración alcalina propuesto funcione. La pregunta siempre será ¿cómo se compara con otras tecnologías que se están desarrollando? Solo es cuestión de llegar a esos $100 por tonelada de CO2, ¿o está más cerca de $ 1,000 por tonelada, lo que lo haría poco competitivo? Así que esas son las preguntas que debemos tener en cuenta.

Llevar a cabo este proyecto en Berkeley Lab nos brinda muchas ventajas. Contamos con expertos en todas estas áreas diferentes, como la tecnología de membranas, la simulación y el modelado molecular y la electrocatálisis. LiSA (Liquid Sunlight Alliance) tiene mucho conocimiento acumulado a lo largo del tiempo. La fuente de luz avanzada es una capacidad que nos permite comprender las interacciones moleculares en detalle, lo cual es una gran ventaja que tenemos aquí en Berkeley Lab en comparación con otros lugares. Así que creo que estamos en una posición única para hacer un dispositivo como este debido a nuestra amplia experiencia en una variedad de áreas diferentes.

De Julie Chao, artículo cortesía de Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley

Visite energy.gov/science para obtener más información.

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