Cruzando el “Valle de la Muerte”: Captura de Carbono al Fin

Mitigar los efectos del cambio climático se ha convertido en un objetivo principal en todo el mundo, y los países y las organizaciones internacionales están desarrollando diversas estrategias para abordar el problema. La reducción de las emisiones de CO₂ ocupa un lugar destacado, y las tecnologías de captura de carbono son una vía prometedora hacia el futuro.

Sin embargo, la brecha entre la investigación y la aplicación práctica de las soluciones de captura de carbono ha resultado ser tan difícil que tiene un nombre propio: “Valle de la Muerte”. El reto se agrava por la necesidad de tener en cuenta las perspectivas y prioridades de las diferentes partes interesadas a lo largo del proceso.

Tradicionalmente, el desarrollo de la tecnología de captura de carbono comienza con los químicos diseñando materiales y los ingenieros desarrollando procesos, mientras que los impactos económicos y ambientales se evalúan más tarde. Los resultados suelen ser subóptimos y sólo retrasan la implementación de soluciones reales.

En respuesta a esto, científicos liderados por Berend Smit en la EPFL y Susana Garcia en la Universidad de Heriot-Watt han desarrollado la plataforma PrISMa (Diseño informado por procesos de materiales absorbentes a medida): una herramienta innovadora que conecta de forma fluida la ciencia de los materiales, el diseño de procesos, la tecnoeconomía y la evaluación del ciclo de vida teniendo en cuenta desde el principio las perspectivas de las múltiples partes interesadas.

Utilizando simulaciones avanzadas y aprendizaje automático, PrISMa puede identificar las soluciones más eficaces y sostenibles, y predecir el rendimiento de nuevos materiales, lo que la convierte en una herramienta poderosa en la lucha contra el cambio climático.

Evaluación de los KPI

PrISMa evalúa cuatro indicadores clave de rendimiento (KPI), o “capas”, para evaluar la viabilidad de un material de captura de carbono desde su desarrollo inicial hasta su implementación en una planta completa de captura de carbono.

1. Capa de materiales: Utilizando datos experimentales y simulaciones moleculares, la plataforma predice las propiedades de adsorción de los materiales absorbentes potenciales.
2. Capa de proceso: PrISMa calcula los parámetros de rendimiento del proceso, como la pureza, la recuperación y las necesidades energéticas.
3. Capa de análisis tecnoeconómico: PrISMa evalúa la viabilidad económica y técnica de una planta de captura de carbono.
4. Capa de evaluación del ciclo de vida : PrISMa evalúa los impactos ambientales durante todo el ciclo de vida de la planta, garantizando una sostenibilidad integral.

Prueba de PrISMa en estudios de caso

Los científicos utilizaron PrISMa para comparar más de sesenta estudios de caso reales, en los que se captura CO₂ de diferentes fuentes en cinco regiones del mundo con diferentes tecnologías. Teniendo en cuenta las perspectivas de múltiples partes interesadas, PrISMa ayudó a identificar las soluciones más eficaces y sostenibles.

“Una de las características únicas de la plataforma PrISMa es su capacidad para predecir el rendimiento de nuevos materiales utilizando simulaciones avanzadas y aprendizaje automático”, dice Berend Smit. “Este enfoque innovador acelera el descubrimiento de materiales de alto rendimiento para la captura de carbono, superando los métodos tradicionales de prueba y error.”

Simulaciones moleculares

La plataforma integra la teoría del funcional de densidad (DFT) y la simulación molecular para predecir las propiedades del material necesarias para el diseño del proceso. El equipo probó este enfoque en una planta de captura de CO₂ considerando las emisiones indirectas durante 30 años de funcionamiento de la planta, y lo combinó con una evaluación tecnoeconómica que evaluó el coste del proceso.

“Conseguimos conectar el movimiento de los electrones a nivel de la DFT para calcular la cantidad total de CO₂ capturada durante los 30 años de vida útil de una planta de captura y a qué costes”, dice Berend Smit.

El punto de vista de los grupos de interés

PrISMa proporciona información valiosa para las diferentes partes interesadas, ofreciendo a los ingenieros las herramientas para diseñar los procesos de captura de carbono más eficientes y rentables, y guiando a los químicos sobre las características moleculares que mejoran el rendimiento de los materiales.

Los responsables medioambientales tienen acceso a evaluaciones integrales de los impactos ambientales, lo que permite una toma de decisiones más informada, mientras que los inversores se benefician de análisis económicos detallados que reducen los riesgos e incertidumbres asociados a la inversión en nuevas tecnologías.

Descubrimiento de nuevos materiales

PrISMa puede acelerar el descubrimiento de materiales de alto rendimiento para la captura de carbono, superando los métodos tradicionales de prueba y error. Sus herramientas interactivas permiten a los usuarios explorar más de 1.200 materiales, comprendiendo las compensaciones entre el coste, el impacto ambiental y el rendimiento técnico.

Este enfoque integral garantiza que las soluciones elegidas capturen CO₂ de forma eficiente al mismo tiempo que minimizan el impacto ambiental general.

Una de las formas en que Smit prevé que se utilizará PrISMa es en el descubrimiento de estructuras metal-orgánicas (MOF), materiales porosos con una amplia gama de aplicaciones, incluida la captura de carbono. “La idea es que los químicos puedan cargar las estructuras cristalinas de sus MOF, y la plataforma clasifique estos materiales para todo tipo de procesos de captura”, dice. “Así, incluso los químicos que no tienen un conocimiento detallado de las tecnologías de captura de carbono pueden recibir información sobre qué MOF tiene un mejor rendimiento y por qué”.

PrISMa puede acelerar el desarrollo de tecnologías de captura de carbono, ayudando a alcanzar las emisiones netas cero al reunir a todas las partes interesadas relevantes en la fase inicial del proceso de investigación. Al proporcionar una evaluación integral de los materiales y los procesos, PrISMa permite una toma de decisiones más informada, lo que lleva al desarrollo de soluciones de captura de carbono más eficaces y sostenibles.

Otros colaboradores

• ETH Zurich
• Solverlo Ltd.
• Institut des Matériaux Poreux de Paris, ENS-Paris
• Lawrence Berkeley National Laboratory

Referencia

Charithea Charalambous, Elias Moubarak, Johannes Schilling, Eva Sanchez Fernandez, Jin-Yu Wang, Laura Herraiz, Fergus McIlwaine, Shing Bo Peh, Matthew Garvin, Kevin Maik Jablonka, Seyed Mohamad Moosavi, Joren Van Herck, Aysu Yurdusen Ozturk, Alireza Pourghaderi, Ah-Young Song, Georges Mouchaham, Christian Serre, Jeffrey A. Reimer, André Bardow, Berend Smit, & Susana Garcia. Shedding Light on Stakeholders’ Perspectives for Sorbent-Based Carbon Capture. Nature 17 July 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07683-8