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Investigadores de Japón y Polonia han creado un método para convertir en metano el CO2 de las pequeñas calderas, con un diseño de reactor que distribuye uniformemente la alimentación de CO2.
Reducir las emisiones de carbono de los sistemas de combustión a pequeña escala, como calderas y otros equipos industriales, es un paso clave hacia la construcción de un futuro más sostenible y neutro en carbono. Las calderas se utilizan ampliamente en diversas industrias para procesos esenciales como calefacción, generación de vapor y producción de energía, lo que las convierte en contribuyentes importantes a las emisiones de gases de efecto invernadero.
Las calderas suelen ser bastante eficientes. Como resultado, es difícil reducir las emisiones de CO2 simplemente mejorando la eficiencia de la combustión. Por lo tanto, los investigadores están explorando enfoques alternativos para mitigar el impacto ambiental de las emisiones de CO2 de las calderas. Una estrategia prometedora para este fin es capturar el CO2 emitido por estos sistemas y convertirlo en un producto útil, como el metano.
Para implementar esta estrategia, se necesita un tipo específico de reactor de membrana, llamado reactor de membrana de tipo distribuidor (DMR), que pueda facilitar reacciones químicas y separar gases. Si bien los DMR se utilizan en determinadas industrias, su aplicación para convertir CO2 en metano, especialmente en sistemas de pequeña escala como calderas, ha permanecido relativamente inexplorada.
Esta brecha de investigación fue abordada por un grupo de investigadores de Japón y Polonia, dirigidos por el profesor Mikihiro Nomura del Instituto de Tecnología Shibaura en Japón y el profesor Grzegorz Brus de la Universidad de Ciencia y Tecnología AGH en Polonia. Sus hallazgos se publicaron el Journal of CO2 Utilization.
El equipo llevó a cabo un enfoque doble del problema mediante simulaciones numéricas y estudios experimentales para optimizar los diseños de los reactores para la conversión eficiente del CO2 de las pequeñas calderas en metano. En su simulación, el equipo modeló cómo fluyen y reaccionan los gases en diferentes condiciones. A su vez, esto les permitió minimizar las variaciones de temperatura, garantizando que se optimice el consumo de energía mientras que la producción de metano sigue siendo confiable.
El equipo descubrió además que, a diferencia de los métodos tradicionales que canalizan los gases a un solo lugar, un diseño de alimentación distribuida podría esparcir los gases hacia el reactor en lugar de enviarlos desde un solo lugar. Esto, a su vez, da como resultado una mejor distribución del CO2 por toda la membrana, evitando que cualquier zona se sobrecaliente. "Este diseño DMR nos ayudó a reducir los incrementos de temperatura en unos 300 grados en comparación con el reactor de lecho compacto tradicional", explica el profesor Nomura.
Más allá del diseño de alimentación distribuida, los investigadores también exploraron otros factores que influyen en la eficiencia de los reactores y descubrieron que una variable clave era la concentración de CO2 en la mezcla. Cambiar la cantidad de CO2 en la mezcla afectó la eficacia de la reacción. "Cuando la concentración de CO2 rondaba el 15%, similar a la que sale de las calderas, el reactor producía metano mucho mejor. De hecho, podría producir alrededor de 1,5 veces más metano en comparación con un reactor normal que sólo funciona con CO2 puro", destaca el profesor Nomura en un comunicado.
Además, el equipo investigó el impacto del tamaño del reactor y descubrió que aumentar el tamaño del reactor facilitaba la disponibilidad de hidrógeno para la reacción. Sin embargo, había que considerar una compensación, ya que el beneficio de una mayor disponibilidad de hidrógeno requería una gestión cuidadosa de la temperatura para evitar el sobrecalentamiento.
Por tanto, el estudio presenta una solución prometedora al problema de abordar una fuente importante de emisiones de gases de efecto invernadero. Al utilizar un DMR, las emisiones de CO2 de baja concentración se pueden convertir con éxito en combustible de metano utilizable. Los beneficios obtenidos no se limitan únicamente a la metanización, sino que también se pueden aplicar a otras reacciones, lo que convierte a este método en una herramienta versátil para la utilización eficiente del CO2 incluso en hogares y pequeñas fábricas.
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