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La captura y utilización de carbono (CCU por sus siglas en inglés) es el proceso de capturar dióxido de carbono (CO2) y darle un uso diferente al almacenamiento.[1] Es por tanto distinta de la captura y almacenamiento de carbono (CCS por sus siglas en inglés), a veces denominada "secuestro del carbono".
La CCU puede ofrecer una respuesta al reto planetario de reducir significativamente las emisiones de gases de efecto invernadero de importantes emisores fijos (industriales).[2] A diferencia de la CCS, la CCU no pretende el almacenamiento geológico permanente de dióxido de carbono ni resulta en él. En cambio, la CCU se propone convertir el dióxido de carbono capturado en sustancias o productos más valiosos, como plásticos, hormigón o biocombustible a la vez que mantiene la neutralidad de carbono de estas conversiones.
El CO2 capturado puede convertirse en 2 tipos de productos. Los del primer tipo se quemarán para generar energía y el CO2 volverá a la atmósfera: hidrocarburos, como metanol, para utilizar en biocombustibles y otras fuentes alternativas y renovables de energía. Los del segundo tipo tendrán un uso más permanente: plásticos, hormigón y reactivos para varias síntesis químicas.[3]
A pesar de que en principio la CCU no resulta en la emisión neta de dióxido de carbono a la atmósfera, deben tenerse en cuenta varios aspectos importantes:
Considerando las diferentes opciones potenciales para captura y utilización, la investigación sugiere que aquellas que implican sustancias químicas, combustibles y microalgas tienen un potencial limitado para extraer CO2 del aire, mientras que las que implican materiales de construcción y uso agrícola pueden ser más eficaces.[5]
La rentabilidad de la CCU depende en parte del precio de carbono (lo que cuesta emitir CO2 a la atmósfera). Emplear CO2 capturado para fabricar productos comerciales útiles podría hacer la CCU financieramente viable.[6]
El CO2 normalmente se captura de fuentes fijas, como centrales térmicas o fábricas.[4] El CO2 capturado en los gases de combustión de estas instalaciones varía en concentración. Una central térmica de carbón típica tendrá entre el 10 y el 12 % de concentración de CO2 en sus gases de combustión.[7] Una refinería de biocombustible produce una pureza alta (99 %) de CO2 con pequeñas cantidades de impurezas como agua y etanol. La separación de estas impurezas puede realizarse a través de absorción, adsorción o membranas.
Otra posible fuente de CO2 implica el uso de plantaciones. La idea se origina de la observación en la curva de Keeling que el nivel de CO2 en la atmósfera experimenta una variación anual de aproximadamente 5 ppm (partes por millón), la cual se atribuye al cambio estacional de vegetación y la diferencia en cantidad de superficie emergida entre el hemisferio norte y el sur.[8][9] Cuando es verano en el hemisferio norte (y por tanto invierno en el sur) hay más masa vegetal viva, porque se asienta en la superficie emergida. Cuando es invierno en el hemisferio norte, parte de esa masa muere, y el CO2 atrapado en ella es nuevamente liberado a la atmósfera.
En esta línea se ha propuesto plantar cultivos con fotosíntesis de 4 carbonos, dado su crecimiento rápido y alto índice de captura de carbono, y cuando hayan crecido, cosecharlos con el fin de procesar la biomasa para aplicaciones como biocarbón, que almacenarán permanentemente el CO2 en el terreno.[10]
La electrocatálisis puede emplearse para convertir el dióxido de carbono (CO2) en productos de valor añadido. En particular, la electroquímica permite intercambiar electricidad por energía química, mientras que la catálisis permite mejorar la velocidad de la reacción química.[11] La electrocatálisis de CO2 permite obtener una enorme variedad de productos como monóxido de carbono (CO), ácido fórmico (HCOOH), metanol (CH3OH), metano (CH4), formaldehido (CH2O), ácido oxálico (H2C2O4), etanol (C2H6O) y etileno (C2H4).[12] Para ello, el CO2 debe capturarse previamente para así poder convertirse en un auténtico combustible neutro en carbono mediante estos procesos electroquímicos en medio acuoso.[13][14][15] De este modo es posible convertir CO2 directamente en el citado etanol, el cual a su vez puede transformarse en gasolina o combustible de aviación.[16]
Puede sintetizarse un combustible neutro en emisiones utilizando CO2 capturado de la atmósfera como la fuente principal de los átomos de carbono (C) que forman la molécula del hidrocarburo (los átomos de hidrógeno, H, se obtienen de la electrólisis del agua). Después de sintetizarlo, el combustible se quema, por ejemplo en un motor de explosión, y se devuelve a la atmósfera el CO2 que para sintetizarlo se extrajo del aire. En este proceso no hay extracción neta de CO2 de la atmósfera, ni emisión neta a ella; de ahí el nombre de "combustible neutro en carbono". Un ejemplo de esta tecnología es el biocombustible de microalgas, que se trata más abajo.
Un proceso habitual en la síntesis de hidrocarburos es la fabricación de metanol. El metanol se sintetiza fácilmente a partir de CO2 y H2. Basándose en este hecho nació la idea de una economía del metanol.
El metanol, o alcohol metílico, es el miembro más sencillo de la familia de alcoholes, compuestos orgánicos con una fórmula genérica de CnHmOH (la del metanol es CH3OH). El combustible de metanol puede fabricarse utilizando el dióxido de carbono capturado y aportando energía renovable para las reacciones químicas necesarias, que son endotérmicas. Consiguientemente, el combustible de metanol se ha considerado una alternativa neutra en emisiones a los combustibles fósiles[17][18] (la extracción y consumo de combustibles fósiles aumenta el CO2 en la atmósfera y empeora así el calentamiento mundial, mientras que la fabricación de combustibles sintéticos a partir del CO2 de la atmósfera y energía renovable, y su posterior consumo, no cambia la cantidad de CO2 en la atmósfera. La empresa Carbon Recycling International, con fábrica en Grindavik, Islandia, vende este combustible de metanol renovable "emisiones-a-líquido" de alto octanaje con una capacidad de producción de 4 000 toneladas anuales.[19]
Además de combustibles, el CO2 capturado de la atmósfera puede utilizarse como materia prima en múltiples productos, como policarbonatos (mediante catalizadores con base cinc), ácido acético,[20] urea o PVC.[21] Un informe de marzo de 2011 sugería que esta tecnología se podría comercializar en los siguientes 5 años, lo que finalmente no ocurrió. El que la síntesis química suponga o no la retirada permanente de CO2 de la atmósfera depende del compuesto sintetizado. Por ejemplo los hidrocarburos alifáticos (de cadena recta, es decir, no ramificada) se pueden degradar, liberando de nuevo CO2 a la atmósfera, en un espacio de tiempo tan escaso como 6 meses.
Novomer es una empresa química que trabaja en un catalizador con base cinc para producción, como materias primas, de carbonato de polietileno (PEC) y carbonato de polipropileno (PPC). Un informe de 2011 del Instituto Mundial para Captura y Almacenamiento de Dióxido de Carbono preveía un potencial de producción anual de 22,5 millones de toneladas de CO2 (MtCO2/a). La empresa ha recibido financiación de múltiples fuentes, como el Departamento de Energía (DOE) (2,6 millones de dólares norteamericanos, $) o el NSF (400 000 $), para conseguir la comercialización de su producto, así como para convertir su proceso de producción de un proceso por lotes a un proceso continuo.[21]
En la extracción de petróleo mejorada (EOR por sus siglas en inglés), el CO2 capturado se inyecta en bolsas de crudo subterráneas de las que se ha extraído tanto que ya no tienen presión para que el petróleo ascienda a la superficie. De esta forma se aumenta la producción de crudo entre el 5 y el 40 %.[21] La utilización de CO2 con estos fines asciende a entre 30 y 300 MtCO2/a. Es una tecnología permanente y madura en CCU. El mayor impulsor del mercado de EOR es la fuerte dependencia del petróleo. En Estados Unidos, algunos impulsores adicionales son los aranceles al crudo extranjero así como desgravaciones fiscales por reducción de emisiones.
Se hace reaccionar el CO2 de gases de combustión con minerales como óxido de magnesio y óxido de calcio para formar carbonatos sólidos estables. Las fuentes de minerales incluyen la salmuera y minerales industriales de desecho. Los carbonatos pueden ser utilizados entonces para construcción, productos de consumo, y como una alternativa a la captura y almacenamiento de carbono (CCS). Esta tecnología puede extraer de la atmósfera más de 300 MtCO2/a. Por cada tonelada de carbonato así producido se retira del aire media tonelada de CO2. Aun así, en 2016 la tecnología todavía no estaba madura y se preveían años de pruebas y prototipos antes de conseguir aplicaciones comercializables.[22]
La compañía Calera propuso una manera de mineralizar el CO2 a través de un proceso denominado CMAP, que supone, a partir de una mezcla de agua, minerales sólidos y gases de combustión, precipitar una pasta de carbonato. Los productos resultantes del proceso son: una suspensión bombeable de carbonatos, agua dulce y gases de combustión libres de CO2.
Los beneficios de este proceso incluyen la producción de agua dulce y que el CO2 utilizado no requiere separación ni compresión. Una barrera para esta tecnología es, sin embargo, la competencia con las industrias de cemento existentes.
Un estudio ha sugerido que las microalgas pueden utilizarse como una fuente alternativa de energía.[23] Se alimenta un estanque de microalgas con una fuente de dióxido de carbono, como gases de combustión, y se deja que proliferen las microalgas. Cuando han crecido, las algas se cosechan y su biomasa se convierte en biocombustible. Cada tonelada de biomasa seca de microalgas ha extraído del aire 1,8 toneladas de CO2. Esta tecnología puede extraer de la atmósfera más de 300 MtCO2/a, aunque de forma no permanente, porque retornará al aire cuando se consuma el biocombustible.
En todo caso se trata de un combustible neutro en carbono, porque el CO2 que se libera a la atmósfera cuando se consume es el mismo que se retiró de ella cuando se produjo. La tecnología no está madura todavía:[24] en 2020 una empresa productora de microalgas, que aprovecha parte del CO2 emitido por una central de ciclo combinado, está duplicando anualmente el volumen de negocio, pero no produciendo biocombustibles, como tenía planeado inicialmente (esa línea de negocio no ha sido exitosa), sino fertilizantes.[25]
Las algas muertas pueden depositarse en el fondo del estanque y resultar así en un almacenamiento permanente de CO2. Aun así, las algas necesitan extensos estanques y sol durante todo el año para extraer CO2 a lo largo del año. Además es necesario controlar el entorno del estanque, porque las algas necesita vivir en unas condiciones concretas. Estos estanques pueden afectar al medio ambiente y al ecosistema circundante.
Para luchar contra el cambio climático también se ha propuesto la fijación de carbono a través del cultivo de plantas.[26] Cuando se cosechan, la biomasa resultante puede utilizarse para combustible, mientras que el carbón vegetal que se obtiene como subproducto se emplea en agricultura para enriquecer el terreno (si se le da este uso recibe el nombre de "biocarbón"). Cool Planet es una compañía privada con una planta de I+D en Camarillo, California, que desarrolla el empleo de biocarbón, y sostiene que su producto puede aumentar la cosecha un 12,3 % y retornar 3 veces la inversión a través de las mejoras en la fertilidad del suelo y en la retención de nutrientes.[27] Si bien algunos cuestionan eficacia de la captura de carbono mediante plantas para la mitigación del cambio climático,[28] es un método generalmente promovido por organismos internacionales y numerosos países.[25]
Un elemento fundamental dentro de la captura y utilización de carbono es su evaluación desde un punto de vista ambiental. Dado que los procesos de captura y utilización consumen energía, agua, materia y suelo, resulta fundamental garantizar la coherencia ambiental. Para ello, la herramienta de análisis de ciclo de vida se ha erigido como fundamental para esta clase de análisis en relación con la captura y utilización de CO2.[30] Se han hecho 16 análisis de ciclo de vida sobre el impacto medioambiental de las 4 principales tecnologías CCU comparándolas con tecnologías CCS convencionales: síntesis química, mineralización del dióxido de carbono, producción de biodiésel y extracción de petróleo mejorada (EOR por sus siglas en inglés). Las 4 tecnologías se evaluaron basándose en 10 impactos como el potencial de acidificación, el de eutrofización, el de calentamiento mundial o el de disminución de ozono. La conclusión de los 16 análisis fue que la síntesis química tiene el potencial de calentamiento mundial más alto (216 veces más que la CCS) mientras que la extracción de petróleo mejorada tiene el menor potencial de calentamiento mundial (1,8 veces más que la CCS).[1]
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