Noticias del Laboratorio de Investigación

Aenert. Noticias del Laboratorio de Investigación
En vista de la inminente crisis climática a la que nos enfrentamos actualmente, encontrar una solución viable para mitigar la influencia nociva de las emisiones de CO₂ es de suma importancia. En este contexto, capturar dióxido de carbono y bombearlo a gran profundidad mediante captura y almacenamiento geológico de carbono (CAC) parece ser una solución esencial para alcanzar los objetivos de neutralidad de carbono. El enfoque clásico para el almacenamiento geológico de CO₂ es en forma supercrítica, donde el CO₂ está densamente comprimido y permite almacenar varios millones de toneladas de CO₂ por año. Sin embargo, se trata de un proceso complejo desde el punto de vista de la viabilidad técnica y económica (elección del depósito, durabilidad del almacenamiento, estanqueidad, transporte del CO₂ al lugar de inyección) que no es necesariamente adecuado para instalaciones que emiten sólo un pequeño volumen de el gas. Además, garantizar que el dióxido de carbono permanezca bien separado de la atmósfera no es tarea fácil.

Ahora (2023), los científicos de los Laboratorios Nacionales Sandia han diseñado y probado un dispositivo en condiciones de laboratorio que utiliza la diferencia de temperatura causada por el bombeo periódico de dióxido de carbono a través de un pozo para cargar baterías. El calor que fluye desde la tierra caliente a través del dispositivo hasta el dióxido de carbono más frío crea un voltaje que puede usarse para cargar una batería y eventualmente alimentar sensores. El dispositivo desarrollado por Sandia funciona de manera similar a los generadores termoeléctricos de radioisótopos utilizados para alimentar las sondas espaciales de la NASA y los vehículos exploradores de Marte. Forma un tubo multicapa que consta de una serie de generadores termoeléctricos cuadrados de 1 por 1 pulgada que pueden convertir el calor que fluye a través de ellos en voltaje y luego en energía. El tubo interior es resistente y puede soportar las temperaturas y presiones del dióxido de carbono que se bombea a través de él, mientras que el tubo exterior es capaz de soportar las temperaturas y presiones existentes en las profundidades del subsuelo. En el área entre el tubo exterior e interior, se ubica la electrónica para capturar y convertir el voltaje de los generadores termoeléctricos para cargar una batería.

Además, se diseñó un pequeño tablero de circuito cuyo propósito era convertir y regular la energía de los generadores para que se pudiera cargar una batería sin sobretensiones dañinas. El desafío era encontrar baterías que pudieran funcionar por encima de los 71 grados Celsius, la temperatura típica en el fondo de un pozo a las profundidades utilizadas para el secuestro de carbono.

La generación de energía se probó en el laboratorio utilizando el prototipo inicial de un pie de largo. Además, las imágenes térmicas y los modelos informáticos ayudaron a tener una idea de cómo cambiaba la temperatura alrededor del dispositivo cuando un fluido frío o caliente fluía a través de él. El modelado y las pruebas desempeñaron un papel importante a la hora de perfeccionar el prototipo para una prueba de campo.

En el segundo prototipo, el equipo instaló varias mejoras para garantizar que los generadores termoeléctricos tuvieran un buen contacto con las carcasas interior y exterior, y que el calor no pudiera tomar un atajo alrededor de los generadores a través del resto del dispositivo. Para el prototipo de prueba de campo, se agregaron aislantes térmicos alrededor del dispositivo y se reemplazaron los tornillos metálicos de la autopista de calor que sujetan los generadores termoeléctricos con abrazaderas de resorte.

Para la primera prueba de campo, el prototipo se insertó en un pozo poco profundo a una profundidad de aproximadamente 19 metros. Luego se bombeó agua a 170 grados a través del tubo interior del dispositivo para probar los generadores termoeléctricos y el sistema. Durante la prueba el dispositivo sufrió una fuga, dañando la placa de acondicionamiento de energía y la batería. La segunda prueba, sin embargo, una repetición de la primera, fue un éxito. Por último, también se probó la capacidad del prototipo de campo para sobrevivir en entornos de alta presión. Las presiones 400 veces la presión atmosférica actuaron sobre la carcasa interior del dispositivo y presiones 34 veces la presión atmosférica sobre la carcasa exterior del dispositivo. Se calentó el dispositivo dentro de la cámara de presión y se midió la corriente de los generadores termoeléctricos, asegurando que funcionaran bajo presión.

Los científicos llevan mucho tiempo intentando mitigar las nocivas emisiones de CO₂ durante la producción de hidrocarburos. En 2020, diseñaron una tecnología verde de captura y conversión de carbono que ofrecía escalabilidad y viabilidad económica para mitigar las emisiones de CO₂. Se utilizaron suspensiones de galio metálico líquido para reducir el CO₂ en productos sólidos carbonosos y O₂ casi a temperatura ambiente. La naturaleza no polar de la interfaz de galio líquido fue responsable de que los productos sólidos se exfoliaran instantáneamente y mantuvieran los sitios activos accesibles. El sólido co-contribuyente de las varillas de plata y galio permitió un proceso cíclico sostenible. Se utilizó energía mecánica como entrada, lo que impulsó reacciones triboelectroquímicas nanodimensionales. También se descubrió que alterando el disolvente secundario y cambiando la altura del reactor, se podía modificar la eficiencia de disolución y conversión. La altura óptima del reactor fue de 27 cm, si se usaba como material de reacción una mezcla de fluoruro de galio/plata en una proporción de masa de 7:1. Con una entrada de CO₂ de ~8 sccm,

Image: Schematics and Raman spectra of solid carbon produced from CO₂ using liquid metal. a-d, Schematic illustrations for the preparation of a suspension of catalyst (a,b) and the CO₂ reduction process using different mechanical energy inputs (c,d). e, Schematic illustration of the formation and detachment of carbon flakes on the surface of Ga droplets in the presence of the solid rods. f-k, Raman spectra of the samples obtained from the reaction mixes of Ga with different silver salts as precursors in DMF: AgF (f, versus time), AgCl (g), AgBr (h), AgI (i), AgOTf (j) and AgNO3 (k). The D and G bands at 1350 and 1600 cm^-1, respectively, emerged after the reactions occur. l,m, Raman spectra (versus time) from the surface of mixtures from the 10-times diluted reaction system (Ga and AgF mix) by employing DMF (l) and DMF+ETA (m) as the reaction solutions. The blue and red curves in f-m are Raman spectra for the samples before and after reaction, respectively



Source: Junma Tang, Jianbo Tang, Mohannad Mayyas, Mohammad Bagher Ghasemian/ Mechanical energy-induced CO₂ conversion using liquid metals/ University of New South Wales, November 2020/ DOI:10.21203/rs.3.rs-112257/v1/ Open Source This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

En 2023, los científicos construyeron un sistema de conversión electroquímica que consiste en la gestión del transporte masivo de protones-bicarbonato-CO₂ junto con una estrategia de activación de cobre (Cu) in situ para lograr una alta selectividad de CH₄ a altas corrientes. Los científicos descubrieron que los electrodos de Cu de matriz abierta retenían suficiente concentración local de CO₂ combinando CO₂ disuelto y CO₂ generado in situ a partir del bicarbonato. La activación de Cu in situ se logró mediante una operación de corriente alterna e hizo que el catalizador fuera altamente selectivo hacia CH₄. La combinación de estas estrategias permitió eficiencias faradaicas del CH₄ superiores al 70 % en un amplio rango de densidad de corriente (100 – 750 mA cm⁻²) que se mantuvo estable durante al menos 12 h con una densidad de corriente de 500 mA cm⁻². El sistema también entregó una concentración de CH4 del 23,5 % en la corriente de producto de gas.

Image: Modeling reaction environment and CO₂ availability a Schematic illustration of the aqueous solution-fed ECR system using porous Cu cathode, Ni foam anode and bipolar membrane (BPM). b Schematic of modeled domain with key physics annotated. c CO₂ flux components at three current densities, 250, 500, and 750 mA cm⁻² for dense matrix and open matrix catalysts with N₂ sparging or CO₂ sparging. 0.3 M KHCO₃ was used as an electrolyte for all modeling. d Modeled CH₄ FE as a function of current density for a dense matrix catalyst (solid lines) and open matrix catalyst (dashed lines) with CO2 sparging and N₂ sparging



Source: Cornelius A. Obasanjo, Guorui Gao, Jackson Crane, Viktoria Golovanova/ High-rate and selective conversion of CO₂ from aqueous solutions to hydrocarbons/ Nature Communications 14(1), June 2023/ DOI:10.1038/s41467-023-38963-y/ Open Source This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

El dispositivo ofrece varias ventajas potenciales: en los generadores termoeléctricos de radioisótopos de la NASA, se aprovecha la diferencia de temperatura entre las bolitas de plutonio calientes y el frío del espacio para producir energía. El dispositivo generador termoeléctrico de Sandia aprovecha la diferencia de temperatura de la Tierra caliente bajo tierra y el dióxido de carbono que se bombea. Aunque la tecnología no es tan eficiente para producir electricidad como el motor de combustión interna de los automóviles, su mayor ventaja es que no tiene partes móviles que puedan atascarse, lo que la hace adecuada para lugares de difícil acceso como el espacio y pozos profundos. . Finalmente, los científicos generaron con éxito suficiente corriente para alimentar sensores de fondo de pozo con un consumo de corriente limitado.

Los planes futuros incluyen probar el dispositivo durante períodos más prolongados. Para ello, se necesitaría más memoria y se tendría que reconstruir la placa de acondicionamiento de energía para que pudiera funcionar con mayores diferencias de temperatura. Además, sería necesario agregar un diodo para que la placa pueda cargar la batería independientemente de si fluyen fluidos fríos o calientes a través del dispositivo. Además, los investigadores de sensores de fondo de pozo necesitarían asegurarse de que la placa de acondicionamiento de energía pueda proporcionar la energía adecuada para los sensores. Si tiene éxito, un dispositivo útil para mitigar los efectos nocivos del CO₂ liberado durante los procesos de producción podría contribuir a salvar el clima.

Por el consejo editorial