Cap´ıtulo 1 Introducción

Capı́tulo 1
Introducción
El cambio climático es la mayor amenaza ambiental del siglo XXI, con
consecuencias de gran magnitud a nivel económico, social y ambiental, y cuyo impacto se nota en todos los ámbitos: los ciudadanos, las empresas, las
economı́as y la naturaleza en todo el mundo están siendo afectadas. El dióxido de carbono (CO2 ) constituye alrededor del 82 % de todas las emisiones
de gases de efecto invernadero, causantes del calentamiento global, en Estados Unidos [11]. Si el desarrollo mundial, el crecimiento demográfico y el
consumo energético basado en los combustibles fósiles siguen aumentando al
ritmo actual, antes del año 2050 las concentraciones de dióxido de carbono se
habrán duplicado con respecto a las que habı́a antes de la Revolución Industrial. El último informe Word Energy Outlook de la Agencia Internacional de
la Energı́a (AIE) indica que la concentración lı́mite de CO2 en la atmósfera
para que la temperatura media global no aumente más de 2◦ C (umbral por
encima del cual se estima que la situación de deterioro se volverı́a irreversible, entrando en una espiral climática no controlable), debe ser de 450 partes
por millón (ppm). Para alcanzar esta meta en 2030 deben realizarse una serie de actuaciones que permitan mejorar la situación, reduciendo claramente
las emisiones de gases de efectos invernadero para el conjunto del paı́ses del
mundo. Con este fin diversos paı́ses suscribieron en 1997 el Protocolo de Kioto, que prioriza la reducción de los principales gases de efecto invernadero
estableciendo una serie de medidas, como son el cambio a fuentes de energı́as
limpias, la mejora de la eficiencia energética y polı́ticas de ayuda para mitigar
el cambio climático [60]. Sin embargo, y puesto que los combustibles fósiles
siguen siendo en la actualidad imprescindibles para el desarrollo económico
mundial, se hace necesario el desarrollo de tecnologı́as que permitan capturar, transportar y almacenar el CO2 [33], evitando su emisión a la atmósfera
y que con ello aumente el efecto invernadero. Esta tecnologı́a está en una fase
incipiente que alcanzará sus niveles de madurez en 20 años antes de contar
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CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN
con la crisis actual, pero indudablemente su estudio supone una labor en las
fronteras del conocimiento, altamente estimulante, y que abre unas grandes
expectativas de futuro.
Se conoce como tecnologı́as de captura, transporte y almacenamiento de
CO2 aquellas tecnologı́as desarrolladas para capturar el CO2 de las corrientes gaseosas durante la producción de electricidad, procesos industriales o
procesado de combustibles, acondicionarlo para su almacenamiento, y transportarlo y almacenarlo de manera permanente (bajo tierra, etc.) evitando
ası́ su emisión a la atmósfera. Los sistemas de captura de CO2 se clasifican
en tres grandes grupos [60]:
1. Captura posterior a la combustión o post-combustión: como su nombre
indica, esta tecnologı́a se refiere al proceso de separación de CO2 de la
corriente de gases de salida de un proceso de combustión de CO2 . En
este caso, primero se quema el combustible (carbón, petróleo, gas natural o biomasa) y se produce calor y electricidad, junto con una corriente
de gas que incluye el CO2 . Éste debe ser separado de dicha corriente
(fundamentalmente nitrógeno y oxı́geno), comprimido, deshidratado y
transportado hasta su lugar de almacenamiento, mientras que el resto
de los gases se ventean a la atmósfera. Una dificultad importante de
este proceso es que el CO2 está diluido en la corriente de gases (con una
concentración de un 12-15 %, e incluso menor de un 5 % en el caso del
gas natural), por lo que resulta más difı́cil de separar que si estuviera
concentrado, especialmente desde el punto de vista energético.
2. Captura previa a la combustión o pre-combustión: la captura en precombustión implica la generación de un gas de sı́ntesis (formado por
monóxido de carbono CO e hidrógeno H2 ), seguida de una reacción con
agua para convertir el CO en CO2 . A partir de ahı́ se separa el CO2 del
hidrógeno, y este último es utilizado para ser quemado en una turbina,
empleado como combustible o para usos en refinerı́as de petróleo, entre
otras aplicaciones. Mientras, el CO2 es acondicionado para su transporte y almacenamiento. Como en la post-combustión, también en este
caso el CO2 está diluido en la corriente de gases. Aunque en los ciclos
combinados el CO2 puede capturarse tanto en pre-combustión como
post-combustión, existen diversos estudios que demuestran que, desde
el punto de vista económico,para estos ciclos resulta más efectivo hacerlo en pre-combustión, ya que la captura se lleva a cabo a presiones
altas y el propio proceso genera el gas de sı́ntesis necesario [60].
3. Captura con oxı́geno-gas u oxi-combustión (en inglés oxyfuel): en este
proceso, en lugar de introducir aire en el sistema para la combustión, se
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introduce oxı́geno puro. La ventaja que tiene esta tecnologı́a frente a las
anteriores es que la corriente de salida es prácticamente pura en CO2
(al no introducir el nitrógeno, componente mayoritario del aire) por lo
que resulta mucho más fácil de tratar, ya que no debe ser separado de
la corriente diluida. El inconveniente que presenta es que, para obtener
la cantidad de oxı́geno necesaria para inyectarlo en la caldera a nivel
industrial, se precisa de la instalación de una planta de separación de
aire, lo cual encarece el proceso.
Las técnica más empleadas para conseguir la separación de gases en corrientes industriales, son las siguientes [22]:
1. Separación mediante absorción y adsorción: la separación se logra poniendo el gas de combustión con un lı́quido absorbente (por ejemplo,
aminas o amoniaco enfriado) o un sólido sorbente (zeolitas, carbonos
activos o MOF [44]). La captura puede tener lugar por mecanismos
de tipo fı́sico o por reacción quı́mica. Una vez sorbido el CO2 , en una
segunda etapa el sorbente debe regenerarse, liberando el CO2 para su
posterior transporte y almacenamiento.
2. Separación por membranas: las membranas, fabricadas a partir de materiales poliméricos, metálicos, cerámicos, zeolitas o MOF, permiten la
permeación selectiva de un determinado compuesto a través de ellas,
consiguiendo su separación de la mezcla.
3. Separación por destilación: la combinación de etapas de compresiónexpansión y enfriamiento sucesivas puede conducir a licuefacción de la
mezcla de gases, y a la separación de sus componentes por destilación
fraccionada.
El presente Trabajo pretende contribuir al desarrollo de una de las técnicas de captura de CO2 , mediante el uso nanotubos de carbono, y que sienta
sus bases en la adsorción de gases en materiales porosos de diferente naturaleza para la depuración de corrientes gaseosas y el almacenamiento de
gases. Este estudio es apropiado por sus posibles aplicaciones en captura de
CO2 en las primeras etapas posteriores a la combustión, en la que se parte
de una corriente de gas formada por CO2 , N2 y O2 (el gas de combustión).
El uso de materiales basados en nanotubos de carbono (membranas o en
polvo) para separación en gases de combustión ha sido avalado por estudios
experimentales [3, 6, 59], ası́ como diversos estudios de simulación por ordenador [5, 30, 34, 52]. En particular, analizaremos el equilibrio de adsorción
de gases de combustión en nanotubos de carbono de capa simple mediante técnicas de simulación de Monte Carlo. En este estudio de simulación se
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CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN
considerará un modelo realista de tanto el adsorbente como el adsorbato, obteniéndose propiedades tales como la selectividad y la capacidad de adsorción
de CO2 , ası́ como las propiedades estructurales del fluido adsorbido. Analizaremos el efecto que sobre la adsorción de CO2 tienen las condiciones del
gas de combustión, en particular la fracción molar de oxı́geno (caracterı́stica,
como ya hemos mencionado, del tipo de combustión considerado), aunque
también la temperatura y presión. Asimismo, consideraremos un rango amplio de nanotubos de carbono, lo que nos permitirá predecir el tipo óptimo
de nanotubo para cada condición.
Este Trabajo se organiza como sigue. En el Capı́tulo 2 describimos los
conceptos básicos de la adsorción de gases en materiales porosos, mientras
que en el Capı́tulo 3 describimos más especı́ficamente los nanotubos de carbono. En el Capı́tulo 4 presentamos los fundamentos teóricos de la Mecánica
Estadı́stica y su aplicación a la Simulación Molecular, mientras que en el
Capı́tulo 5 se describe la metodologı́a seguida en el Trabajo. Los principales resultados de este Trabajo se presentan y discuten en el Capı́tulo 6. Las
principales conclusiones y perspectivas para trabajos futuros se enumeran en
el Capı́tulo 7.