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Jun 15, 2023

¿Son los combustibles metálicos en polvo sólo una llamarada pasajera?

No es ningún secreto que los combustibles fósiles se están extinguiendo rápidamente. A medida que la tecnología avanza, están desapareciendo cada vez más rápido. Muchas de nuestras dependencias actuales de los combustibles fósiles están asociadas con aplicaciones de alta energía como el transporte. Dado que es poco probable que el transporte mundial llegue a decaer por alguna otra razón que no sea la propia escasez de combustible, es imperativo que encontremos algo que pueda replicar la alta densidad energética de los combustibles fósiles. O eso, o volver a la mesa de dibujo y cambiar todo el alcance del transporte global.

La energía, especialmente la solar y la eólica, no se puede crear en todo el mundo. Tradicionalmente, la energía se crea in situ y se envía a otros lugares que la necesitan. Todas las soluciones propuestas para portadores de energía sin emisiones de carbono (baterías e hidrógeno) tienen sus debilidades. Las baterías son una opción bastante segura, pero su densidad energética es bastante pobre. La densidad energética del hidrógeno es mayor, pero su inflamabilidad lo hace peligrosamente volátil para almacenar y transportar.

Recientemente, un grupo de investigadores de la Universidad McGill en Canadá publicó un artículo que explora el uso de polvos metálicos como nuestro combustible sin carbono del futuro. Aunque potencialmente los polvos metálicos podrían utilizarse como fuentes de energía primaria, la solución transitoria que proponen es utilizarlos como fuentes secundarias alimentadas por primarias eólicas y solares.

La idea de utilizar combustible en polvo como fuente de energía no es nueva. Uno de los prototipos de Rudolf Diesel de finales del siglo XIX funcionó brevemente con polvo de carbón, un recurso que abundaba en las minas del cercano valle del Ruhr. Después de hacer funcionar el motor durante menos de diez minutos, descubrió que ya se había acumulado lodo y supuso que se debía a las cenizas producidas durante la combustión. El polvo de carbón se volvió a probar en Alemania y los resultados fueron prácticamente los mismos: acumulación de lodo interno y una mayor tasa de desgaste. La investigación sobre el combustible de carbón se reanudó en Estados Unidos después de la Segunda Guerra Mundial y se centró en el uso de una lechada de carbón hecha con diésel. Aún así, la ceniza provocó que los anillos del pistón se desgastaran más rápido.

A medida que pasaron las décadas, las empresas de diésel experimentaron con el uso de partículas introductorias de carbón cada vez más pequeñas, y también intentaron mezclarlas con agua en lugar de diésel. En la década de 1980, el Departamento de Energía de los Estados Unidos lanzó un programa para trabajar con las empresas de diésel en la cuestión de los lodos de agua y carbón. Una de esas empresas, una división de General Electric, había logrado grandes avances a principios de la década de 1990, pero para entonces los precios del petróleo estaban bajando. El programa DoE fue eliminado.

El aluminio y otros metales son una opción energética alternativa atractiva por un par de razones. Lo más importante es que tienen una alta densidad energética. En parte, esa es la razón por la que el polvo de aluminio se utiliza en fuegos artificiales y propulsores de cohetes. Se puede utilizar metal para fabricar ánodos de baterías, aunque las baterías de metal-aire tienen que ser mucho más grandes para poder competir con las densidades de energía de las pilas de combustible tradicionales. En términos más ingeniosos, los polvos metálicos se utilizan como combustible independiente para la combustión directa desde el nivel de infraestructura hasta los motores de los automóviles.

Sin embargo, existe un problema con el uso directo de polvos metálicos como combustible para motores de combustión interna. Al igual que el polvo y el lodo de carbón, la combustión de aluminio y polvo de hierro produce óxidos metálicos sólidos. Estos óxidos cubrirán el motor, lo desgastarán más rápido y eventualmente dañarán los pistones.

La ironía es que esos óxidos metálicos sólidos son la clave de la renovabilidad. Se pueden recolectar y reciclar nuevamente para convertirlos en combustible en polvo utilizando la infraestructura existente con energía eólica y solar. Pero cuanto más pequeños son, más difíciles son de recolectar. Y realmente, a menos que el reciclaje se lleve a cabo de manera eficiente, los polvos metálicos no son realmente un buen sustituto del petróleo o el diésel.

Los motores de combustión externa son una mejor aplicación para el combustible en polvo metálico. El sistema de combustión puede hacer el trabajo sucio a una distancia segura. Puede filtrar los óxidos metálicos con un ciclón y enviar sólo calor limpio al motor. Aún más prometedor que el aluminio es el polvo de hierro. Se quema 1.000 grados Celsius más frío que el aluminio y produce partículas de óxido más grandes que son fáciles de recolectar.

Aunque teóricamente es posible, muchas cosas tendrían que cambiar antes de que todos conduzcamos (o seamos conducidos por) automóviles con, digamos, motores Stirling o de vapor que funcionan con polvo metálico. Los esquemas de combustión existentes tendrían que modificarse para respaldar el combustible metálico en polvo, y tendría que haber un plan para recolectar los óxidos metálicos de todos para reciclarlos. A nivel de infraestructura, no se ha construido nada que pueda convertir el polvo metálico a densidades de energía comparables a las de los combustibles fósiles.

Se necesita energía para producir energía, y eso incluye producir polvo de metal. En general, las piezas sólidas de metal se pulverizan con máquinas, se atomizan con una corriente de aire comprimido o se recogen mediante electrólisis. La metalurgia de polvos de hierro en particular (Nota del editor: tee-hee) generalmente se realiza mediante atomización o una técnica de reducción conocida como proceso de hierro esponja. Pero todos estos métodos dependen de la energía externa. La atomización requiere un gas, y el proceso de hierro esponja implica calentarlo en un horno para producir el hierro esponja intermedio, seguido de mucha fuerza para triturarlo hasta convertirlo en polvo. En el mejor de los casos, todo este procesamiento podría realizarse utilizando fuentes de energía renovables. En el peor de los casos, requiere un combustible fósil.

Los combustibles en polvo metálico por sí solos no nos salvarán de nuestra dependencia de los combustibles fósiles. Ningún tipo de energía alternativa lo hará. Lo más probable es que sea necesaria una combinación de ellos trabajando juntos para satisfacer todos los casos de uso antes de que podamos dejar de utilizar combustibles fósiles.

Pero si hacemos este cambio, ¿realmente estaremos simplemente cambiando un no renovable por otro? Claro, el hierro y el aluminio son bastante abundantes, pero dijimos lo mismo sobre el carbón. Tal vez una vez que hayamos extraído todo el metal del suelo, podamos aguantar un par de años o décadas más funcionando con óxidos reciclados. Con suerte, para entonces tendremos una nueva solución, como minar en la luna.

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