Use of high temperature heat pump for solvent regeneration in post-combustion carbon capture unit with liquefaction facility: Concept and thermodynamic analysis

El cemento es el esqueleto invisible del mundo moderno, el material que mantiene unidas nuestras ciudades. Sin embargo, el proceso de fabricación es un importante contribuyente al calentamiento global. Cuando la piedra caliza se calienta para crear cemento, libera grandes cantidades de dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero que atrapa el calor en la atmósfera. Para detener esto, los ingenieros han desarrollado formas de capturar ese gas antes de que escape al cielo. Uno de los métodos más fiables consiste en lavar los gases de escape con un líquido especial que absorbe el dióxido de carbono. Sin embargo, este líquido eventualmente se llena y necesita ser limpiado para poder usarse de nuevo. El proceso de limpieza requiere una cantidad tremenda de calor, a menudo más del que la fábrica tiene disponible para gastar. Si la fábrica no puede encontrar suficiente calor para limpiar el líquido, el sistema de captura de carbono no puede funcionar eficientemente, dejando el problema de la contaminación sin resolver.

Al mismo tiempo, una vez que el dióxido de carbono ha sido capturado, debe convertirse en un líquido para ser enviado lejos para su almacenamiento. Esta transformación requiere enfriar el gas a temperaturas extremadamente bajas. Al hacerlo, la maquinaria que enfría el gas genera una gran cantidad de calor residual, que normalmente se lanza al aire. Esto crea una paradoja frustrante: la fábrica necesita calor para limpiar el líquido, pero el proceso de preparar el gas para el transporte desecha precisamente el tipo de calor que necesita. Investigadores de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología y de SINTEF Energy Research han propuesto una forma de resolver este rompecabezas. Sugieren conectar el sistema de enfriamiento con el sistema de calentamiento en un ciclo inteligente, convirtiendo un producto de desecho en un recurso útil.

El equipo se centró en una configuración específica utilizada en plantas de cemento donde el dióxido de carbono se captura y luego se licúa. En la versión estándar de este proceso, el gas se enfría mediante un ciclo de refrigeración que depende del amoníaco, un refrigerante industrial común. A medida que el amoníaco absorbe el calor del dióxido de carbono para enfriarlo, el amoníaco mismo se calienta. En una planta típica, este amoníaco caliente se enfría de nuevo liberando su calor hacia el aire circundante, esencialmente desperdiciando la energía que acaba de absorber. Los investigadores se hicieron una pregunta sencilla: ¿qué pasaría si, en lugar de desechar ese calor, lo usaran para limpiar el líquido de captura de carbono?

Para que esto funcione, diseñaron un sistema que actúa como un ascensor térmico. Añadieron un segundo ciclo al montaje de amoníaco existente, utilizando un fluido diferente llamado pentano. El amoníaco caliente del ciclo de enfriamiento transfiere su calor al pentano. Este calor es suficiente para hacer que el pentano hierva y se convierta en un gas. A medida que el gas de pentano se comprime, se vuelve aún más caliente. Este pentano sobrecalentado se envía entonces a la parte de la fábrica que necesita limpiar el líquido de captura de carbono. Allí, cede su calor, calentando el líquido lo suficiente como para liberar el dióxido de carbono capturado para que el líquido pueda ser reutilizado. El pentano luego se enfría, vuelve a convertirse en líquido y está listo para recoger más calor del amoníaco, creando un ciclo continuo.

Los investigadores utilizaron simulaciones computacionales sofisticadas para probar qué tan bien funcionaría esta idea en un escenario del mundo real. Modelaron una planta que captura un millón de toneladas de dióxido de carbono cada año. Sus cálculos mostraron que este nuevo sistema podría recuperar con éxito una parte significativa del calor necesario para limpiar el líquido. Específicamente, el sistema podría proporcionar alrededor del 22 por ciento del calor total requerido para el proceso de limpieza si el líquido necesita una cantidad estándar de energía para regenerarse. Si la planta utiliza un tipo de líquido más eficiente que requiere menos calor para empezar, el sistema podría cubrir hasta el 34 por ciento de la necesidad. Esto significa que la fábrica tendría que quemar mucho menos combustible para generar vapor, ahorrando dinero y reduciendo otras emisiones.

El estudio también analizó cuánta energía consumiría el nuevo sistema para hacer funcionar las bombas y compresores. Aunque añadir el ciclo extra requiere algo de electricidad adicional, el balance general es positivo. Los investigadores descubrieron que el sistema es altamente eficiente al convertir el trabajo que realiza en calor útil. En sus simulaciones, la configuración logró una calificación de eficiencia de más del 57 por ciento, lo cual es un rendimiento sólido para un sistema que realiza dos trabajos a la vez: enfriar el gas y calentar el líquido. Esto es notablemente mejor que el sistema estándar, que solo enfría el gas y desperdicia el calor. El equipo descubrió que el sistema funciona mejor cuando el dióxido de carbono se comprime a una presión específica antes de ser enfriado, un detalle que permite que la recuperación de calor ocurra a la temperatura adecuada.

Una de las ventajas clave de este enfoque es que no depende del clima o de la ubicación de la fábrica. En muchas partes del mundo, las plantas de cemento luchan por encontrar calor residual porque las materias primas están húmedas y necesitan secarse, lo que consume toda la energía térmica disponible. En esos climas húmedos, el método habitual de robar calor de otras partes de la fábrica a menudo falla. Este nuevo sistema, sin embargo, genera su propia fuente de calor justo donde se necesita, utilizando la energía del propio proceso de enfriamiento. Convierte el acto de congelar el dióxido de carbono en una forma de calentar el fluido de limpieza, reciclando efectivamente la energía que de otro modo se perdería.

Los investigadores reconocieron que construir este sistema requeriría compresores más grandes y potentes de los que usa una planta estándar, lo cual es un desafío de ingeniería significativo. La maquinaria necesita manejar el flujo del fluido de pentano de manera eficiente sin desperdiciar energía. También señalaron que, aunque sus resultados se basan en modelos computacionales, la física detrás del diseño es sólida y se basa en principios establecidos de la termodinámica. El estudio sugiere que adaptar las plantas de captura de carbono existentes con este sistema de doble ciclo podría ser un camino viable, especialmente para instalaciones que carecen de otras fuentes de calor residual. Al vincular las necesidades de enfriamiento y calentamiento de la planta, la tecnología ofrece una forma de hacer que la captura de carbono sea menos intensiva en energía y más práctica para la industria del cemento, ayudando a convertir una gran fuente de contaminación en una parte manejable de la solución.