Carbon footprint of biogenic carbon capture, storage and utilization via electrochemical reduction to methanol

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Abstract
El objetivo de este trabajo es evaluar la huella de carbono de una central termoeléctrica alimentada con biomasa forestal que exporta a la red eléctrica un máximo de 270 MW y captura todo el CO2 generado. Parte del CO2 es almacenado en un acuífero salino. La fracción restante de CO2 capturado es reducido en un reactor electroquímico con electricidad procedente de paneles fotovoltaicos a metanol, que posteriormente será utilizado como combustible en un vehículo. Se evaluó la incorporación al proceso de dos casos de estudio (A y B respectivamente) basados en dos tecnologías de electrorreducción con diferentes configuraciones y materiales electródicos (Albo y col., 2015b; Shironita y col., 2013). Para determinar la huella de carbono del proceso descrito se empleó la metodología del análisis del ciclo de vida. En primer lugar se revisó el estado del arte para la cuantificación de las emisiones de CO2 biogénicas y los procesos de captura y utilización de CO2. A continuación se definieron los límites del sistema estudiados y se desarrolló un modelo matemático basado en los balances de materia y energía a los equipos que integran el proceso, con el propósito de su descripción. Este modelo permitió obtener el inventario de CO2 equivalente del proceso, asignando todas las cargas ambientales del proceso a la electricidad producida. Los resultados obtenidos demuestran que en ambos casos A y B, sin tener en cuenta ningún facto de mejora, la opción con menos emisiones de CO2-eq (0.137 kg CO2-eq·kWh-1), es almacenar todo el CO2 capturado y no derivar ninguna parte a la reducción electroquímica. El caso estudiado A (Albo y col., 2015b) está limitado fundamentalmente por la excesiva demanda energética del proceso de destilación convencional para la separación metanol/agua. Se ha estimado que la concentración de metanol obtenida en el proceso de electrorreducción se debería incrementar unas 10,000 veces para que esta tecnología pueda ser aplicada con menores emisiones que en el caso de referencia. En cuanto al caso B (Shironita y col., 2013), es posible electrorreducir una mayor cantidad de CO2 sin comprometer la eficiencia energética de la planta, ya que por la configuración del cátodo, no requiere incorporar una etapa de purificación al proceso puesto que la corriente de CO2 incorpora la cantidad de agua necesaria para la reacción. No obstante, las emisiones indirectas de CO2-eq son superiores a las del caso A incluso para todas las concentraciones estudiadas, ya que los materiales que componen el electrodo en el caso B tienen una huella de carbono mucho más elevada. Sería necesario mejorar la vida útil del electrodo unas 10 veces en el caso B para que al compararlo con el caso A, en el que la concentración aumenta 4 órdenes de magnitud, las emisiones de CO2-eq sean similares. 2 Si bien la huella de carbono de los procesos de producción de electricidad a partir de biomasa acoplados a un proceso de captura y almacenamiento de CO2 (sin derivación al proceso de electrorreducción) es inferior a, por ejemplo el mix eléctrico de la Unión Europea (0.392 kg CO2-eq·kWh-1), su implementación conjunta con un proceso de valorización electroquímica de CO2 a metanol no es viable en la actualidad para las dos referencias analizadas, bajo las hipótesis asumidas en el presente trabajo. Los principales motivos son las elevadas necesidades de energía derivada de los procesos de destilación para la separación metanol/agua (como consecuencia de la baja concentración obtenida) o la limitada vida útil de los materiales electródicos que emplean metales como platino y rutenio. La investigación futura en relación a los procesos de electrorreducción de CO2 se debería centrar en: i) el aumento de la concentración de metanol (para disminuir el consumo energético en la separación); y ii) el desarrollo de materiales catódicos que impliquen una baja huella de carbono a través de una mayor vida útil. ; Máster en Ingeniería Química