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Los investigadores del Departamento de Ingeniería Mecánica de Penn State recibieron una subvención de 2 millones de dólares del Consorcio de Investigación sobre Descarbonización de la Armada para estudiar la captura de carbono a bordo y la utilización de combustibles alternativos. El proyecto se resume en una sesión de preguntas y respuestas con el profesor asociado Brian Fronk. Crédito: Kate Myers/Penn State. Reservados todos los derechos.
9 de agosto de 2023
Por Sara pequeña
UNIVERSITY PARK, Pa. — El Consorcio de Investigación sobre Descarbonización de la Marina es una colaboración público-privada que tiene como objetivo avanzar en la investigación interdisciplinaria para ayudar a la Marina de los EE. UU. a enfrentar los complejos desafíos de la descarbonización de plataformas, con un enfoque en barcos y aviones, según el sitio web del consorcio. Como parte de esta iniciativa, el Profesor Asociado de Ingeniería Mecánica de Penn State, Brian Fronk, y la Profesora de Ingeniería Mecánica Jacqueline O'Connor, recibieron una subvención de tres años y 2 millones de dólares de la Oficina de Investigación Naval para desarrollar un sistema de captura de carbono a bordo para uso con turbinas de gas navales. El distinguido profesor de ingeniería mecánica de Penn State, Adri van Duin, también ayudará con la investigación.
A continuación se muestra una sesión de preguntas y respuestas con Fronk que detalla la investigación planificada.
P: ¿Qué es la captura de carbono y qué son los “e-combustibles”?
Frente: La captura de carbono es el proceso de eliminar dióxido de carbono, ya sea directamente de la atmósfera o del escape de equipos, como turbinas de gas, que queman combustibles que contienen carbono. Luego, el carbono capturado puede secuestrarse para evitar que entre a la atmósfera o reciclarse para producir nuevos combustibles que contengan carbono y que puedan usarse en barcos y motores existentes.
Los combustibles de hidrocarburos producidos a partir de electricidad procedente de fuentes renovables o nucleares se consideran “e-combustibles”. Son esencialmente versiones sintéticas de los combustibles fósiles líquidos que conocemos. Estos combustibles alternativos son densos en energía (cuanto mayor es la densidad, más energía se puede almacenar y transportar para el mismo volumen) y, sin embargo, tienen bajas emisiones netas de carbono y, en teoría, pueden producirse en cualquier lugar.
P: ¿Cómo se aplica esto a la Marina de los EE. UU.?
Frente: En aplicaciones navales, la materia prima de hidrógeno para este combustible se puede obtener del agua de mar mediante electrólisis, mientras que la materia prima de dióxido de carbono podría capturarse mediante un sistema a bordo de la atmósfera, los gases de escape o también del agua de mar. Por lo tanto, apoya la misión de descarbonización de la Marina y al mismo tiempo ofrece un camino hacia la producción distribuida y la utilización de combustibles alternativos, proporcionando una ventaja logística.
Un aspecto clave a tener en cuenta es que existe una penalización energética por capturar carbono, lo que significa que se utiliza energía para alimentar el equipo para hacerlo, lo que potencialmente contribuye a las emisiones dependiendo de la fuente de energía. Sin embargo, la penalización es menor si hay más carbono que capturar. Los barcos suelen utilizar motores de turbina de gas para generar energía y propulsión, y capturar carbono de los gases de escape de las turbinas de gas, donde el dióxido de carbono constituye aproximadamente entre el 5 % y el 15 % de los gases de escape, consume menos energía que directamente de la atmósfera, donde el dióxido de carbono normalmente representa alrededor del 0,05%.
P: ¿Cómo planean capturar el carbono de los gases de escape de las turbinas?
Frente: Los sistemas de captura de carbono más maduros para aplicaciones terrestres utilizan soluciones químicas para absorber dióxido de carbono de la atmósfera o de los gases de escape, pero el uso de la captura de carbono basada en productos químicos en barcos no es ideal debido a preocupaciones de salud y seguridad. En este proyecto, separaremos el dióxido de carbono comprimiendo, enfriando y expandiendo los gases de escape para producir directamente dióxido de carbono congelado (hielo seco) a partir de la corriente de escape. Este sistema puede hacerse compacto, relativamente sencillo de operar e integrarse en buques de guerra existentes y futuros.
Para promover una captura más eficiente, también exploraremos el uso de la recirculación de gases de escape (EGR), donde un porcentaje de los gases de escape circula de regreso a la entrada para aumentar la concentración de dióxido de carbono. Esta tecnología se ha utilizado en motores de automóviles y camiones comerciales durante algún tiempo, pero no se ha aplicado ampliamente a las turbinas de gas, aunque despierta mucho interés.
P: ¿Cuáles son los objetivos del proyecto? ¿Alguna aplicación más amplia?
Frente: Estamos entusiasmados con nuestro enfoque integrado para considerar juntos los complejos problemas de la utilización de combustibles alternativos, la recirculación de gases de escape y la captura de carbono. Esto no ha sido ampliamente considerado en la literatura abierta. Los conocimientos de este trabajo también se pueden aplicar a la industria de sistemas de energía comerciales marítimos y terrestres mientras trabajan hacia la descarbonización.
Además de desarrollar un sistema de captura de carbono de los gases de escape diseñado para operación a bordo de barcos, el equipo llevará a cabo experimentos de combustión a escala de laboratorio con combustibles actuales y potenciales futuros (con y sin EGR) para comprender cómo puede cambiar el rendimiento de las turbinas de gas. También se realizarán simulaciones para comprender el comportamiento termodinámico de los gases de escape a temperaturas muy bajas donde el dióxido de carbono se vuelve sólido.
Nuestro proyecto también tendrá un componente de desarrollo de la fuerza laboral. Cada verano, es posible que recibamos a varios cadetes de la Academia Naval de EE. UU. para que realicen investigaciones en Penn State, ayudándolos a capacitarlos en la tecnología que podrían ver en la futura flota.
Facultad de Ingeniería de Relaciones con los Medios
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P: ¿Qué es la captura de carbono y qué son los “e-combustibles”?Frente:P: ¿Cómo se aplica esto a la Marina de los EE. UU.?Frente:P: ¿Cómo planean capturar el carbono de los gases de escape de las turbinas?Frente: P: ¿Cuáles son los objetivos del proyecto? ¿Alguna aplicación más amplia?Frente: