Captura postcombustión (la más demandada actualmente)
Captura el CO₂ de los gases de escape después de la combustión mediante aminas, adsorbentes sólidos, membranas o procesos criogénicos. Es la tecnología más fácil de adaptar a plantas existentes.
A)- La captura postcombustión con aminas es el método más utilizado para limpiar los gases de las fábricas antes de que lleguen a la atmósfera. Hay que imagínalo como una esponja química líquida que atrapa selectivamente el CO₂ y luego lo suelta al calentarse para poder reutilizar la esponja.
Aquí tienes la explicación detallada paso a paso de cómo funciona este proceso.
Los 3 componentes clave
Antes de ver el proceso, debes conocer a los tres protagonistas:
- Gas de escape: El humo sucio que sale de la fábrica (contiene nitrógeno, oxígeno, vapor de agua y un 4-15% de CO₂).
- Las aminas: Un compuesto químico líquido derivado del amoníaco que tiene una propiedad única: se une al CO₂ cuando está frío y lo suelta cuando está caliente.
- Las dos torres: El sistema utiliza dos columnas cilíndricas gigantes llamadas Absorbedor (torre fría) y Regenerador (torre caliente).
El proceso paso a paso (El viaje del CO₂)
El sistema funciona en un ciclo continuo y cerrado dividido en cuatro fases principales:
[Gas Sucio] ➔ 1. ABSORBEDOR (Frío) ➔ [Gas Limpio sale a la atmósfera]
Amina con CO₂ Amina limpia
2. INTERCAMBIADOR DE CALOR
3. REGENERADOR (Caliente) ➔ 4. [CO₂ Puro Capturado]
1. La captura en el Absorbedor (Torre Fría)
El gas de escape de la fábrica se enfría (a unos 40-50 °C) y se introduce por la parte inferior de la primera torre. Al mismo tiempo, el líquido con aminas químicas se rocía desde la parte superior.
- El encuentro: El gas sube y el líquido baja. Al cruzarse, las aminas reaccionan químicamente con el CO₂ y lo atrapan en el líquido.
- El resultado: El resto de los gases limpios (principalmente nitrógeno) salen por el techo de la torre hacia la atmósfera. El líquido, ahora cargado de CO₂, se acumula en el fondo.
2. El viaje y precalentamiento
El líquido cargado de CO₂ se bombea hacia la segunda torre. En el camino, pasa por un intercambiador de calor. Aquí se cruza con el líquido caliente que ya fue limpiado en la otra torre, ganando temperatura para ahorrar energía en el siguiente paso.
3. La liberación en el Regenerador (Torre Caliente)
El líquido caliente entra en la segunda torre, que opera a alta temperatura (entre 100 y 120 °C) gracias a un hervidor de vapor en la base.
- La separación: El calor rompe el enlace químico entre la amina y el CO₂. El CO₂ se vuelve a convertir en gas y sube.
- El resultado: El CO₂ gaseoso sale por la parte superior con una pureza superior al 99%.
4. Compresión y reinicio del ciclo
- El CO₂: El gas puro capturado se comprime a alta presión hasta volverse casi líquido. Así se puede transportar en tuberías (gasoductos) para enterrarlo bajo tierra de forma segura o usarlo en la industria.
- La amina: El líquido de aminas, ahora limpio y libre de CO₂, se enfría de nuevo y se bombea de regreso a la primera torre para empezar todo el proceso otra vez.
Ventajas y Desafíos del sistema
Ventajas
- Instalación lista: Se puede añadir a fábricas y centrales eléctricas que ya existen sin tener que rediseñar toda la planta.
- Alta eficiencia: Es capaz de retener entre el 85% y el 90% del CO₂ que emite la fábrica.
- Tecnología probada: Es el método de captura comercial más maduro y conocido del mercado.
Desafíos (Por qué no se usa en todos lados)
- Alto consumo de energía: Hervir el líquido continuamente para soltar el CO₂ consume mucha energía de la propia planta (penalización energética).
- Degradación: Con el tiempo, el oxígeno y el calor dañan las aminas, por lo que hay que reponerlas.
- Corrosión: Las aminas pueden ser corrosivas para las tuberías de acero comunes, requiriendo materiales especiales más caros.
Las aminas utilizadas para capturar CO₂ se dividen en tres familias principales según su estructura química (primarias, secundarias y terciarias), además de una categoría moderna de mezclas avanzadas. Cada una equilibra de forma distinta la velocidad de captura y el gasto de energía.
Aquí tienes los tipos específicos más utilizados en la industria:
1. Aminas Primarias (Las más rápidas)
Tienen dos átomos de hidrógeno unidos al nitrógeno, lo que las hace altamente reactivas.
- MEA (Monoetanolamina): Es el estándar de la industria y la amina más estudiada.
- Lo bueno: Reacciona rapidísimo con el CO₂ y funciona muy bien incluso cuando la concentración de CO₂ es muy baja.
- Lo malo: Requiere muchísima energía en el regenerador para romper el enlace químico y soltar el CO₂. Además, es muy corrosiva.
2. Aminas Secundarias (El punto medio)
Tienen solo un átomo de hidrógeno unido al nitrógeno, ofreciendo un comportamiento intermedio.
- DEA (Dietanolamina): Se usa con frecuencia en el tratamiento de gas natural.
- Lo bueno: Requiere menos energía para regenerarse que la MEA.
- Lo malo: Su velocidad de reacción con el CO₂ es notablemente más lenta.
3. Aminas Terciarias y Impedidas (Las ahorradoras de energía)
No tienen átomos de hidrógeno unidos directamente al nitrógeno. Su estructura «estorba» físicamente al CO₂, creando un enlace químico mucho más débil.
- MDEA (Metildietanolamina): El ejemplo químico más común de esta categoría.
- Lo bueno: Consume muy poca energía en la torre caliente porque el CO₂ se desprende con facilidad. Es muy estable y casi no se degrada.
- Lo malo: Su velocidad de captura inicial es extremadamente lenta si se usa sola.
4. Aminas de Nueva Generación y Mezclas (La solución actual)
Hoy en día, la industria rara vez usa una sola amina pura. Se combinan para sumar las ventajas de cada una:
- Piperazina (PZ): Es una amina cíclica que se utiliza como «activador». Se añade en pequeñas cantidades a la MDEA para acelerar la velocidad de captura sin perder el beneficio del bajo consumo energético.
- Disolventes con cambio de fase (Lipoílicos): Aminas modernas que, al atrapar el CO₂, se separan solas en dos capas líquidas (una con mucho CO₂ y otra limpia). Así, solo se calienta la capa con CO₂, reduciendo drásticamente el coste energético.
B)- La captura de CO₂ en postcombustión mediante adsorbentes sólidos es una tecnología diseñada para separar el dióxido de carbono de los gases de combustión (gases de chimenea) utilizando materiales porosos sólidos que retienen selectivamente el CO₂ en su superficie. A diferencia de la absorción líquida convencional (con aminas), esta técnica destaca por su menor consumo energético en la regeneración, la ausencia de degradación líquida corrosiva y su alta capacidad de sintonización química.
Principio Fundamental del Proceso
El sistema opera mediante ciclos continuos de adsorción (retención del gas) y desorción (liberación del gas y regeneración del material). El proceso global consta de las siguientes etapas macroscópicas:
- Acondicionamiento del Gas: Los gases de escape (provenientes de una central térmica o industria) se enfrían (generalmente entre 40 °C y 60 °C) y se limpian de impurezas severas como partículas, SOx y NOx, los cuales pueden envenenar el adsorbente.
- Fase de Adsorción: El gas tratado atraviesa un lecho relleno con el adsorbente sólido. Las moléculas de CO₂ se fijan selectivamente en las cavidades o sitios activos del sólido, mientras que el resto de los gases inertes (principalmente nitrógeno, N2) pasan sin reaccionar y se evacúan por la chimenea.
- Fase de Desorción (Regeneración): Una vez que el sólido se satura, se detiene el flujo de gas de alimentación. Se modifica una variable termodinámica (presión, temperatura o vacío) para romper la unión entre el CO₂ y el adsorbente, obteniendo un flujo de CO₂ gaseoso de alta pureza (>95%) listo para su compresión y posterior almacenamiento o utilización.
Mecanismos de Interacción: Fisisorción vs. Quimisorción
La retención del CO₂ en la superficie del sólido ocurre mediante dos mecanismos principales:
- Fisisorción (Adsorción Física): El CO₂ se retiene mediante fuerzas débiles de Van der Waals e interacciones dipolo-cuadrupolo dentro de los poros.
- Ventaja: La regeneración requiere muy poca energía.
- Desventaja: Pierde mucha eficiencia a altas temperaturas y es menos selectiva frente al N2.
- Quimisorción (Adsorción Química): El CO₂ reacciona químicamente con sitios básicos (frecuentemente aminas injertadas en el sólido) formando carbamatos o bicarbonatos estables.
- Ventaja: Altísima selectividad y excelente rendimiento incluso con concentraciones muy bajas de CO₂.
- Desventaja: Requiere un aporte energético superior para romper los enlaces químicos durante la regeneración.
Tipos de Adsorbentes Sólidos Utilizados
Los materiales se diseñan para maximizar el área superficial interna y la selectividad química hacia el CO₂:
- Zeolitas: Aluminosilicatos cristalinos con una estructura de poros perfectamente ordenada. Actúan como tamices moleculares basándose en el tamaño de la molécula y la fuerte interacción electrostática con los cationes de la estructura. Son muy sensibles a la humedad.
- Carbones Activos y Carbones Nanofructurados: Materiales carbonosos económicos con alta área superficial. Son hidrofóbicos (no les afecta la humedad) pero sufren de baja selectividad en comparación con otros materiales.
- MOFs (Metal-Organic Frameworks): Redes metal-orgánicas hiperporosas coordinadas con nodos metálicos y ligandos orgánicos. Tienen las mayores áreas superficiales conocidas y permiten modificar químicamente sus poros a nivel atómico para «atrapar» específicamente el CO₂.
- Materiales Funcionalizados con Aminas (Sólidos Soportados): Sílices porosas, polímeros o MOFs en los que se impregnan o injertan químicamente moléculas de aminas. Combinan la resistencia estructural del sólido con la química selectiva de la captura por quimisorción.
Configuraciones del Proceso de Regeneración (Ciclos de Operación)
Para que el proceso sea continuo, se operan múltiples lechos en paralelo utilizando diferentes estrategias para forzar la liberación del CO₂:
| Tecnología de Ciclo | Mecanismo de Operación | Ventajas | Desventajas |
| TSA (Temperature Swing Adsorption) | Se eleva la temperatura del lecho (usando vapor o calor residual) hasta 100°C–150°C. | Consigue altas purezas de CO₂. | Ciclos térmicos lentos; alto consumo de calor. |
| PSA / VSA (Pressure/Vacuum Swing Adsorption) | Se reduce la presión del sistema (PSA) o se aplica vacío profundo (VSA) a temperatura constante. | Ciclos rápidos de pocos minutos; puramente mecánico. | Requiere un alto consumo de energía eléctrica para los compresores/bombas de vacío. |
| ESA (Electric Swing Adsorption) | Se hace pasar una corriente eléctrica directa a través de un adsorbente conductor (como el carbón). | Calentamiento interno directo y muy rápido; alta eficiencia energética. | Tecnología aún en fases tempranas de escalado comercial. |
Ventajas y Desafíos del Sistema
Ventajas frente a las Aminas Líquidas.
- Ahorro Energético: Menor calor específico de los sólidos en comparación con el agua presente en las aminas líquidas, lo que disminuye notablemente la penalización energética de la planta.
- Estabilidad Ambiental: No genera vapores tóxicos residuales ni aerosoles corrosivos que dañen los equipos.
- Flexibilidad Operativa: Los lechos sólidos se adaptan mejor a arranques y paradas rápidas.
Desafíos Tecnológicos Actuales.
- Gestión de Transferencia de Calor: Los sólidos tienen bajas conductividades térmicas, lo que dificulta enfriar el lecho rápidamente durante la adsorción y calentarlo uniformemente en la desorción.
- Efecto de la Humedad: El agua presente en los gases de combustión compite fuertemente con el CO₂ por los sitios activos en materiales como las zeolitas, obligando a un secado previo intensivo.
- Degeneración y Desgaste: En lechos fluidizados, la fricción mecánica desintegra el material sólido (atrición), requiriendo la reposición constante del adsorbente.
C)- La captura de CO2 en postcombustión mediante membranas consiste en separar el dióxido de carbono de los gases de escape industriales después de quemar un combustible fósil o biomasa. Se logra haciendo pasar la corriente de gas a través de una barrera física semipermeable que permite que el CO2 pase más rápido que otros gases.
1. El Mecanismo Físico: Solución-Difusión
En la mayoría de las membranas densas utilizadas, el proceso se explica mediante el modelo de solución-difusión, que se divide en tres pasos fundamentales:
- Disolución: Las moléculas del gas se adhieren y disuelven en la superficie de la membrana del lado de alta presión. Esto depende de la afinidad química del material con el CO2.
- Difusión: Las moléculas disueltas cruzan el interior de la membrana impulsadas por un gradiente de presión parcial (hay mucha más presión de CO2) en la cara de entrada que en la de salida).
- Desorción: Las moléculas se liberan desde el otro lado de la membrana hacia la zona de baja presión.
2. Parámetros Clave de Rendimiento
Para que una membrana funcione a nivel industrial, los ingenieros evalúan dos variables que están intrínsecamente ligadas (y que normalmente se repelen):
- Permeabilidad: La velocidad a la que el gas logra atravesar la membrana por unidad de espesor. Se busca maximizarla para no necesitar áreas de membrana gigantescas.
- Selectividad: La capacidad de la membrana para dejar pasar el CO2 bloqueando el paso de otros gases (principalmente nitrógeno,N2, y oxígeno, O2).
- Factor de Separación = [(yco2/yn2)] / [(xco2/xn2)]
(Donde \(y\) son las fracciones molares en el permeado y \(x\) en la alimentación).
3. Materiales Utilizados
Los materiales se dividen principalmente en dos grandes grupos:
Membranas Poliméricas (Orgánicas)
Son las más estudiadas y económicamente viables. Utilizan polímeros vírgenes o modificados.
- Polímeros convencionales: Como las poliimidas o las polisulfonas. Tienen buena estabilidad mecánica, pero a menudo presentan un dilema: si son muy selectivas, son lentas, y si son muy permeables, dejan pasar demasiado N2.
- Transporte Facilitado: Son polímeros a los que se les añaden portadores químicos (como aminas líquidas o sales metálicas) en su estructura. El CO2 reacciona temporalmente con este transportador y «salta» al otro lado, disparando la selectividad y el rendimiento de la membrana.
Membranas Inorgánicas
Son más robustas térmica y químicamente, pero más difíciles y costosas de fabricar a gran escala.
- Zeolitas: Estructuras cristalinas de aluminosilicatos con poros de tamaño molecular que tamizan los gases por su tamaño (elCO2 es ligeramente más pequeño que el N2).
- Carbono Molecular (CMS): Membranas de carbón poroso.
- MOFs (Estructuras Metal-Orgánicas): Materiales sintéticos altamente cristalinos y porosos, considerados tecnología de vanguardia para ajustar a medida la selectividad por afinidad química.
4. Configuración del Sistema (Etapas)
Los gases de escape en postcombustión tienen una baja concentración de CO2 (normalmente entre un 10% y 15%) y están a presión atmosférica. Por ello, las membranas requieren lo siguiente para ser rentables:
- Precompresión: Es necesario comprimir los gases de combustión antes de enviarlos a los módulos de membrana, ya que se necesita una fuerza impulsora (presión) para empujar el gas a través del material.
- Sistemas multietapa y recirculación: Una sola membrana no basta para alcanzar el 95% de pureza de CO2 que exige el transporte y almacenamiento geológico. Se organizan en cascadas: el gas que no pasa (retenido) en la primera membrana se vuelve a comprimir y enviar a una segunda o tercera membrana para exprimir al máximo el CO2.
- Sistemas híbridos: Para lograr la máxima pureza, se suelen diseñar plantas híbridas que combinan una etapa de membranas con una etapa de absorción química (lavado con aminas).
5. Ventajas y Desafíos
Ventajas:
- Son sistemas compactos y modulares, ideales para adaptar a fábricas o plantas existentes (tecnología retrofit).
- No requieren reactivos químicos ni solventes que se degraden o requieran grandes cantidades de calor para regenerarse, lo que en teoría reduce los costes operativos.
Desafíos:
- Compensación: El equilibrio entre alta selectividad y alta permeabilidad sigue siendo el reto físico principal de los materiales poliméricos.
- Envejecimiento físico: Los polímeros tienden a compactarse con el tiempo, perdiendo permeabilidad.
- Pureza: Es más complejo lograr flujos de CO2 extremadamente puros(>95%) en una sola pasada en comparación con los sistemas de absorción química.
- Impurezas: Los gases de combustión contienen trazas de Sox, NOx, cenizas y humedad que pueden contaminar o degradar rápidamente los materiales de la membrana.
D)- La captura criogénica de CO₂ es un método físico de separación que utiliza temperaturas extremadamente bajas para licuar o solidificar el dióxido de carbono de los gases industriales.
Su principio de funcionamiento, las fases del proceso, así como sus ventajas y desventajas.
Principio de funcionamiento.
- Punto de desublimación: El CO₂ pasa de gas a sólido (hielo seco) a -78.5 °C (a presión atmosférica).
- Cambio de fase: Se enfría el gas de combustión para congelar o licuar el CO₂.
- Separación física: El CO₂ sólido o líquido se separa mecánicamente de los gases no condensables (como el nitrógeno).
Fases del proceso típico
[Gas de combustión] ➔ [1. Secado y Purificación] ➔ [2. Enfriamiento] ➔ [3. Separación de Fases] ➔ [4. Compresión/Almacenamiento]
- Pretratamiento y secado: Se elimina el agua y contaminantes (SOx, NOx) para evitar que el hielo obstruya los intercambiadores.
- Refrigeración continua: El gas se enfría mediante intercambiadores de calor y ciclos de refrigeración multi-etapa.
- Separación de fases: El CO₂ se condensa (líquido) o desublima (sólido), separándose del resto de los gases residuales.
- Presurización: El CO₂ capturado se calienta controladamente y se bombea a alta presión para su transporte o uso geológico.
Ventajas de la criogenia
- Sin químicos: No utiliza disolventes reactivos como las aminas.
- Alta pureza: Produce CO₂ con una pureza superior al 99%.
- Presión comercial: El producto final ya sale líquido o licuado, listo para el transporte.
- Adaptabilidad: Funciona eficientemente con altas concentraciones de CO₂ en el gas de origen.
Desventajas y desafíos
- Alto consumo energético: Requiere mucha electricidad para accionar los compresores de refrigeración.
- Riesgo de bloqueo: La formación involuntaria de hielo de agua o CO₂ sólido puede taponar las tuberías.
- Coste de capital inicial: Los intercambiadores de calor especializados y materiales criogénicos son costosos.
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