La evolución de la generación de energía carbónica

Las tecnologías de la energía de la energía de la energía de la energía eléctrica de la base son muy útiles para la generación de combustibles de alta calidad, y la generación de energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía de la energía eléctrica [LT]

Desulfurización electroquímica

La eliminación de sulfuro de gases de combustión de carbón es uno de los retos ambientales más antiguos que enfrenta la industria de energía. Sistemas tradicionales de desulfuración de gases de combustión (FGD), comúnmente conocidos como escrubadores, utilizan la lotería de piedra caliza para absorber SO2, produciendo yeso como subproducto.

La desulfuración electroquímica ofrece un enfoque más elegante. En estos sistemas, el gas de flujo pasa a través de una célula electroquímica donde SO2 se oxida en el ánodo o se reduce en la catode, dependiendo de la configuración celular. Una configuración típica utiliza una membrana de intercambio protón (PEM) o un electrolito alcalino para facilitar la transferencia de iones.

La investigación reciente se ha centrado en mejorar los catalizadores utilizados en estas células. Los catalizadores basados en platinos siguen siendo los más activos para la oxidación SO2, pero su alto costo ha estimulado el desarrollo de materiales alternativos como los óxidos de metal, los marcos metálicos orgánicos (MOF) y las aleaciones no metálicas.

Otra variante prometedora es el reactor de membrana electroquímica, que integra una membrana selectiva que permite que sólo SO2 alcance la superficie de electrodo. Esto elimina la necesidad de limpieza de gas aguas arriba y simplifica el sistema general. Las pruebas de escala piloto han mostrado eficiencias de eliminación superiores al 98%, con el beneficio añadido de producir ácido sulfúrico concentrado que se puede vender en el mercado químico, compensando los costos de funcionamiento.

Oxidación electroquímica de NOx

Los óxidos de nitrógeno son otro contaminante importante de la combustión de carbón, contribuyendo a la lluvia de humo y ácido. Los métodos electroquímicos también se están desarrollando para abordar NOx simultáneamente con la eliminación SO2. En un escrubador electroquímico combinado, NO es oxidado primero a NO2 en el ánodo, y luego ambas especies se reducen a gas de nitrógeno (N2) en el cathode.

Captura de carbono electroquímico y conversión

Capturing CO2 from power plant flue gas es la estrategia más directa para mitigar el impacto climático del carbón. Los sistemas de escuchamiento a base de amina tradicionales son intensivos en energía, lo que requiere un vapor significativo para regenerar el solvente, lo que reduce la eficiencia neta de la central eléctrica. La captura de carbono electroquímica ofrece una manera de bajar esa pena energética mientras que también abre la puerta para convertir CO2 capturado en productos valiosos.

Membranas electroquímicas para la separación de CO2

Los sistemas de membrana electroquímica utilizan una membrana permeable selectiva combinada con un voltaje aplicado para conducir el transporte de CO2 a través de la membrana. Uno de los diseños más avanzados es la célula de combustible fundido (MCFC) utilizada como concentrador de CO2. En esta configuración, el gas de flujo se alimenta al compartimento de catodio, donde CO2 reacciona con el oxígeno y los electrones para formar iones de carbonato (CO32−).

Electro-swing Adsorption

Un enfoque más nuevo, conocido como adsorción de electro-swing, utiliza electrodos recubiertos con materiales que unen CO2 cuando se aplica un voltaje y lo liberan cuando se revierte el voltaje. Polimeros activos de redox, como polianthraquinona, y ciertos compuestos basados en quinone han demostrado alta capacidad de CO2 y kinetics de conmutación rápida.

Conversión de CO2 electrocatalítica

Una vez capturado, CO2 no tiene que ser almacenado bajo tierra; puede ser convertido electroquímicamente en productos químicos y combustibles útiles. Los catalizadores basados en cobre han sido ampliamente estudiados para la electroreducción de CO2 a etileno, etanol y metano. Los avances recientes en el diseño de catalizadores, como el uso de nanopartículas de cobre con facetas cristal específicas, han logrado efficietiles renovables de cerca de 80 por ciento

Tecnologías de células de combustible para el singas de carbón

En lugar de quemar carbón directamente, otra ruta implica primero gasificar el carbón para producir singas (una mezcla de monóxido de hidrógeno y carbono), que se invierte en una célula de combustible. Las células de combustible de óxido sólido (SOFC) son particularmente atractivas para esta aplicación porque pueden operar a altas temperaturas (700–1,000°C), lo que las hace tolerantes a ciertas impurezas en los singas y permite la reforma interna de cualquier metano restante.

Los SOFC modernos han logrado eficiencias eléctricas del 60 al 65 por ciento, en comparación con el 33 al 40 por ciento típico de las plantas de vapor convencionales de carbón. Cuando se combina con un ciclo de fondo que captura el calor de los desechos, las eficiencias del sistema general pueden acercarse al 85 por ciento. Esta mejora dramática significa que es necesario un carbón significativamente menor para producir cada kilovatio hora de electricidad, reduciendo directamente el consumo de combustible y las emisiones.

Los esfuerzos de investigación se centran en mejorar la durabilidad de los ánodos SOFC cuando se exponen a los contaminantes encontrados en las singas de carbón, especialmente los compuestos azufre y arsénico. Materiales de ánodo de novedad como ceria dopada y titanato de estroncio han mostrado resistencia a la intoxicación azufre a niveles de hasta 50 partes por millón.

Celdas de combustible de carbono directas

La célula de combustible directo de carbono (DCFC) es quizás el enfoque electroquímico más radical del poder del carbón. En lugar de gasificar primero el carbón o reaccionar con aire en una caldera, un DCFC utiliza carbono sólido directamente como el combustible del ánodo. El carbono se oxida en el ánodo, liberando electrones y produciendo CO2, mientras que el oxígeno del aire se reduce en la caldera.

El principal desafío para los DCFC es la reactividad limitada del carbono sólido. Para superarlo, los investigadores han desarrollado varias arquitecturas celulares. En el hidroxido fundido DCFC, el ánodo consiste en un baño de hidróxido de sodio o potasio molten en el que se suspenden las partículas de carbono. Los iones de hidroxido facilitan la electrooxidación del carbono a temperaturas relativamente bajas (400–600°C).

Las innovaciones recientes incluyen el uso de materiales de carbono con porosidades diseñadas y grupos funcionales de superficie para mejorar las tasas de reacción. Los investigadores también han demostrado sistemas híbridos DCFC-SOFC que integran el carbono directamente en el ánodo de una célula de óxido sólido, combinando la flexibilidad del combustible de SOFC con la alta utilización del carbono de los DCFC. Estos sistemas híbridos han demostrado densidades de potencia aproximándose a 300 mW/cm2 a escala de laboratorio, lo que acercan la viabilidad comercial.

Actualización electroquímica de carbón antes de la combustión

Otra estrategia emergente es utilizar procesos electroquímicos para pretratar el carbón en sí, eliminando impurezas minerales y oxidando parcialmente la matriz de carbono para producir un combustible más limpio y reactivo. El lixiviación electroquímica utiliza un campo eléctrico para conducir iones en la estructura de poro de carbón, disolver el sulfuro pirítico y ciertos minerales de arrastre. Esto puede reducir el contenido de azufre en 50–70 por ciento antes del costream

La oxidación electroquímica del carbón para producir hidrocarburos oxigenados también está cobrando atención. En estos procesos, el carbón se sumerge en un electrolito ácido y se mantiene en un potencial anodico, lo que hace que el carbono se oxida para formar CO2, ácidos carboxílicos y otros compuestos. Aunque no es una ruta directa de generación de energía, puede producir valiosos productos químicos alimentados mientras que simultáneamente desulfurece la electricidad.

Integración con Energía Renovable

Una de las tecnologías electroquímicas más exigentes para la energía del carbón es su capacidad de integrarse con fuentes de energía renovables variables como el viento y el solar. Procesos electroquímicos como el electrolisis de CO2 y la desulfuración pueden ser modulados rápidamente, por orden de segundos a minutos, haciéndolos ideales como cargas flexibles que ayudan a equilibrar la red.

Desafíos y futuras orientaciones

Mientras que el progreso técnico es impresionante, los obstáculos significativos permanecen antes de que estas tecnologías electroquímicas puedan ser implementadas a escala en la flota de carbón del mundo. El desafío más importante es el costo. Muchos de los catalizadores avanzados y materiales de membrana utilizados en las células electroquímicas son costosos de producir, y las vidas de pila de células todavía son demasiado cortas para los ciclos de funcionamiento de centrales eléctricas típicos.

La durabilidad de los materiales es una preocupación relacionada. Las altas temperaturas de funcionamiento, electrolitos corrosivos y la exposición a contaminantes traza en corrientes de carbón aceleran la degradación. Investigación en revestimientos protectores, cerámica avanzada y materiales de autosanación está en curso y ha producido resultados prometedores a corto plazo. Otro problema es la integración de módulos electroquímicos con equipos existentes de equilibrio de plantas como los intercambiadores de calor, los trenes de limpieza de vapor

En el frente político, un entorno regulatorio de apoyo que valora las reducciones de carbono y proporciona un precio a las emisiones de CO2 será esencial para impulsar la adopción. La Ley de reducción de la inflación de los Estados Unidos y políticas similares en otros países ofrecen créditos fiscales para la captura y secuestro de carbono, que benefician directamente a los sistemas de captura electroquímica. Sin embargo, el nivel de subvención puede tener que aumentar para reducir la brecha entre los costos actuales y el precio de mercado de la electricidad.

En el futuro, la trayectoria más prometedora implica la combinación de múltiples tecnologías electroquímicas en una sola planta. Una futura instalación "e-coal" podría utilizar el pretratamiento electroquímico para limpiar el combustible, alimentar el carbón a un DCFC o sistema de SOFC gasificador para la generación de energía de alta eficiencia, luego utilizar membranas electroquímicas para capturar cualquier CO2 restante del escape, y finalmente convertir ese CO2 a combustibles sintéticos con energía renovables

Conclusión

Las tecnologías electroquímicas están reestructurando las posibilidades de generación de energía de carbón. Desde la desulfurización y captura de carbono hasta las células de combustible directa y la mejora de carbón, estos métodos ofrecen rutas para reducir drásticamente las emisiones manteniendo o aumentando la eficiencia de la producción de electricidad. El camino hacia adelante requiere una inversión continua en la ciencia de materiales, la ingeniería de sistemas y el apoyo al despliegue para llevar estas tecnologías del laboratorio a la central eléctrica.