Proceso para reciclar CO2 en combustibles

Investigadores del Laboratorio Nacional Sandia (EEUU) han desarrollado un prototipo que utiliza energía solar para convertir CO₂ y H₂O en moléculas base (CO + H_2, gas de síntesis) para la fabricación de combustibles líquidos (gasolinas, diesel, queroseno,…). El proceso sería el inverso al proceso de combustión y podría convertirse en una alternativa práctica al secuestro de CO₂.

[R.M. Navarro, Instituto de Catálisis y Petroleoquímica, CSIC]

La mayor parte de los desarrollos de utilización de la energía solar se basan en la transformación del calor en energía eléctrica mediante procesos térmicos y acoplamiento a una turbina para producir electricidad. Una alternativa a la producción de electricidad es el aprovechamiento del potencial energético de la radiación solar mediante su conversión y almacenamiento en energía química estructurada, p. ej. hidrocarburos. Entre los métodos para producir combustibles a partir de energía solar, los procesos termoquímicos presentan muchas posibilidades de desarrollo. La opción termoquímica se basa en el uso de radiación solar concentrada como fuente primaria de calor para realizar las reacciones endotérmicas de producción de combustibles utilizando para ello ciclos redox de óxidos metálicos. Estos ciclos incluyen dos procesos acoplados, basados en la reducción y oxidación sucesiva de óxidos metálicos que actúan de forma efectiva en la transformación a baja temperatura de CO₂ y H₂O en CO e H₂ respectivamente. Conforme a este concepto, en la primera etapa del proceso, el óxido redox se reduce térmicamente con la energía solar concentrada liberando oxígeno (Ec 1). En la etapa siguiente el sistema reducido se oxida y regenera captando el oxígeno del CO₂ o del H₂O y liberando simultáneamente CO o H₂ gaseoso (Ecs. 2 y 3). El balance del proceso corresponde a la formación de CO e H₂ a partir de CO₂ y H₂O (Ec. 4).

1ª etapa reducción térmica:    

MO_x + calor   à  MO_1-x  + x/2 O₂                                  (1)

 2ª etapa oxidación con H₂O y CO₂ y obtención de CO e H₂ :  

 MO_1-x + x CO₂  à  MO_x  + x CO                                 (2)

 MO_1-x + x H₂O  à  MO_x  + x H₂                                   (3)

 Reacción global:

 CO₂ +  H₂O + calor à MO_x + CO+ H₂ + O₂      (4)

A partir del CO e H₂ generados se pueden producir hidrocarburos líquidos (gasolina, diesel, queroseno,…) mediante un proceso posterior de síntesis Fischer-Tropsch (Ec 5)

n CO + (2n-1) H₂ à C_nH_2n+2 (gasolinas, diesel, queroseno,…) + n H₂O   (5)

Basado en este concepto, investigadores del Laboratorio Nacional Sandia (EEUU) han llevado a cabo en los últimos años el proyecto “Sunshine to Petrol”. En el seno de este proyecto se ha desarrollado el prototipo denominado CR5 (Counter-Rotating-Ring Receiver Reactor Recuperator, Figura 1), para llevar a cabo el proceso termoquímico de producción de CO e H₂ a partir de CO₂ y H₂O utilizando como óxido metálico redox un material basado en hierro.

Figura 1. Fotografía del prototipo CR5 para llevar a cabo el proceso termoquímico para la producción de CO e H₂.

El prototipo CR5 esta diseñado con una cámara a cada lado (Figura 1). Una de las cámaras se encuentra a elevada temperatura mientras que la otra se encuentra a menor temperatura. En el interior del prototipo hay 14 anillos conteniendo el óxido redox que giran a 1 rpm. La cámara de alta temperatura se calienta con energía solar concentrada (Figura 2) hasta aproximadamente 1500ºC causando la pérdida de oxígeno del óxido metálico redox. Una vez que el óxido metálico se ha reducido se traslada, como consecuencia del giro del anillo, hacia la cámara opuesta de baja temperatura (que se encuentra alrededor de 1000ºC) donde se pone en contacto con CO₂ o H₂O y se reoxida con liberación simultánea de CO o H₂ gaseoso. El óxido metálico oxidado gira de nuevo hacia la cámara de alta temperatura comenzando un nuevo ciclo que permite la operación en continuo mediante su repetición cíclica.

Figura 2. Fotografía del concentrador de energía solar para calentar el prototipo CR5.

El prototipo CR5 ha sido capaz de demostrar el concepto de generación de combustibles a partir de energía solar concentrada pero necesita de mejoras en lo referente al coste y nivel de eficiencia alcanzado. El objetivo a corto plazo es alcanzar unas unidades de porcentaje en la eficiencia global del proceso. Los científicos responsables de su desarrollo estiman en 15 o 20 años el tiempo necesario para que esta tecnología pueda alcanzar un nivel comercial con una eficiencia máxima en el intervalo del 10%. Para que ello se cumpla será necesario desarrollar nuevos óxidos redox que permitan perder oxígeno a menor temperatura permitiendo que una mayor cantidad de energía solar se pueda convertir en H₂ y CO.