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Bioenergía con captura y almacenamiento de carbono.

Ejemplo de BECCS: Diagrama de una central eléctrica de bioenergía con captura y almacenamiento de carbono . [ 1 ] La bioenergía con captura y almacenamiento de carbono ( BECCS )...

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Ejemplo de BECCS: Diagrama de una central eléctrica de bioenergía con captura y almacenamiento de carbono . [ 1 ]

La bioenergía con captura y almacenamiento de carbono ( BECCS ) es el proceso de extraer bioenergía de la biomasa y capturar y almacenar el dióxido de carbono (CO₂ ) que se produce.

Las emisiones de gases de efecto invernadero de la bioenergía pueden ser bajas porque cuando se cosecha la vegetación para obtener bioenergía, crece nueva vegetación que absorbe CO₂ del aire mediante la fotosíntesis . [ 2 ] Después de cosechar la biomasa, se extrae energía ("bioenergía") en formas útiles (electricidad, calor, biocombustibles , etc.) a medida que la biomasa se utiliza mediante combustión, fermentación, pirólisis u otros métodos de conversión. [ 3 ] El uso de bioenergía libera CO₂ . En BECCS, parte del CO₂ se captura antes de que llegue a la atmósfera y se almacena bajo tierra mediante tecnología de captura y almacenamiento de carbono . [ 4 ] En ciertas condiciones, BECCS puede eliminar dióxido de carbono de la atmósfera. [ 4 ]

Se estimó que el rango potencial de emisiones negativas de BECCS era de cero a 22 gigatoneladas por año. [ 5 ] A partir de 2024, hay 3 proyectos BECCS a gran escala en funcionamiento en el mundo. [ 6 ] El despliegue generalizado de BECCS está limitado por el costo y la disponibilidad de biomasa. [ 7 ] [ 8 ] Dado que la producción de biomasa requiere mucha tierra, el despliegue de BECCS puede plantear riesgos importantes para la producción de alimentos, los derechos humanos y la biodiversidad. [ 9 ]

Emisión negativa

Esquema del flujo de carbono para diferentes sistemas energéticos.

El principal atractivo de BECCS radica en su capacidad para generar emisiones negativas de CO₂ . La captura de dióxido de carbono proveniente de fuentes de bioenergía elimina eficazmente el CO₂ de la atmósfera. [ 10 ] [ 11 ]

La bioenergía se deriva de la biomasa, que es una fuente de energía renovable y actúa como sumidero de carbono durante su crecimiento. La tecnología de captura y almacenamiento de carbono (CAC) consiste en interceptar la liberación de CO₂ proveniente de la combustión de biocombustibles y redirigirla a ubicaciones de almacenamiento semipermanentes, como ubicaciones de almacenamiento geológico [ 12 ] [ 13 ] o concreto [ 14 ] [ 15 ] . El resultado es una eliminación neta de dióxido de carbono de la atmósfera hacia sitios de secuestro [ 16 ] . En la práctica, los efectos netos del secuestro pueden reducirse como resultado de las emisiones del transporte de biomasa, del uso de energía en el proceso y de las emisiones del cultivo de biomasa [ 17 ] . No todos los sistemas BECCS implican la captura de CO₂ biogénico liberado por la combustión. El CO₂ también puede capturarse de fuentes biogénicas no combustibles, como el proceso de pulpeo kraft o el que se separa en el mejoramiento del biogás y el etanol [ 15 ] .

Las tecnologías BECCS atrapan dióxido de carbono en formaciones geológicas de manera semipermanente, lo que permite utilizar el cultivo de biomasa para capturar dióxido de carbono de la atmósfera. La duración del almacenamiento varía según el método utilizado. El almacenamiento en depósitos naturales tiene una fracción de liberación del orden de 10⁻⁷ / año, mientras que el almacenamiento en pozos de gas natural agotados tiene una fracción de liberación del orden de 10⁻⁴ a 10⁻⁶ / año. [ 18 ] En 2005, el IPCC estimó que la tecnología BECCS proporcionaría una "mayor permanencia" al almacenar CO₂ en formaciones geológicas subterráneas, en comparación con otros tipos de sumideros de carbono. Los sumideros de carbono como el océano, los árboles y el suelo implican un riesgo de retroalimentación adversa del cambio climático a temperaturas más elevadas. [ 19 ] [ 20 ]

Disminuir la concentración de CO₂ en la atmósfera mediante la absorción por sumideros convencionales como árboles y suelo será suficiente para alcanzar objetivos de bajas emisiones. [ 21 ] Además de las emisiones acumuladas actualmente, habrá emisiones adicionales significativas durante este siglo, incluso en los escenarios de bajas emisiones más ambiciosos. BECCS y la captura directa de carbono del aire son los únicos dos métodos de crear emisiones negativas que podrían reducir la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera. [ 22 ] [ 23 ] [ 21 ] [ 24 ] [ 25 ] Esto implica que las emisiones no solo serían cero, sino negativas, de modo que no solo las emisiones, sino la cantidad absoluta de CO₂ en la atmósfera se reduciría.

Costo

Las estimaciones de costos para BECCS varían entre $60 y $250 por tonelada de CO2 . [ 26 ]

Se estimó que los métodos electrogeoquímicos que combinan la electrólisis de agua salina con la meteorización de minerales alimentada por electricidad no derivada de combustibles fósiles podrían, en promedio, aumentar tanto la generación de energía como la eliminación de CO₂ en más de 50 veces en relación con BECCS, a un costo equivalente o incluso menor, pero se necesita más investigación para desarrollar dichos métodos. [ 27 ]

Tecnología

La principal tecnología para la captura de CO₂ de fuentes bióticas generalmente emplea la misma tecnología que la captura de dióxido de carbono de fuentes convencionales de combustibles fósiles. [ 28 ] En términos generales, existen tres tipos diferentes de tecnologías: postcombustión , precombustión y combustión con oxígeno puro . [ 29 ]

Oxicombustión

Descripción general de la combustión con oxígeno puro para la captura de carbono a partir de biomasa, mostrando los procesos y etapas clave; es probable que también se requiera cierta purificación en la etapa de deshidratación. [ 30 ]

La combustión con oxígeno puro ha sido un proceso común en las industrias del vidrio, el cemento y el acero. También es un enfoque tecnológico prometedor para la captura y almacenamiento de carbono (CAC). En la combustión con oxígeno puro, la principal diferencia con la combustión convencional con aire es que el combustible se quema en una mezcla de O₂ y gases de combustión reciclados. El O₂ se produce mediante una unidad de separación de aire (UEA), que elimina el N₂ atmosférico de la corriente de oxidante . Al eliminar el N₂ aguas arriba del proceso, se produce un gas de combustión con una alta concentración de CO₂ y vapor de agua, lo que elimina la necesidad de una planta de captura posterior a la combustión. El vapor de agua se puede eliminar por condensación, dejando una corriente de producto de CO₂ de pureza relativamente alta que, después de la purificación y deshidratación posteriores, se puede bombear a un sitio de almacenamiento geológico. [ 30 ]

Los principales desafíos de la implementación de BECCS mediante oxicombustión están asociados con el proceso de combustión. Para la biomasa con alto contenido de volátiles, la temperatura del molino debe mantenerse baja para reducir el riesgo de incendio y explosión. Además, la temperatura de la llama es menor. Por lo tanto, la concentración de oxígeno debe incrementarse hasta un 27-30%. [ 30 ]

Precombustión

La "captura de carbono precombustión" describe procesos que capturan CO₂ antes de generar energía. Esto se suele lograr en cinco etapas operativas: generación de oxígeno, generación de gas de síntesis, separación de CO₂, compresión de CO₂ y generación de energía. El combustible primero pasa por un proceso de gasificación al reaccionar con oxígeno para formar una corriente de CO y H₂ , que es el gas de síntesis. Los productos luego pasan por un reactor de desplazamiento de gas de agua para formar CO₂ y H₂ . El CO₂ producido se captura y el H₂ , que es una fuente limpia, se utiliza para la combustión para generar energía. [ 31 ] El proceso de gasificación combinado con la producción de gas de síntesis se llama Ciclo Combinado de Gasificación Integrada (IGCC). Una Unidad de Separación de Aire (ASU) puede servir como fuente de oxígeno, pero algunas investigaciones han encontrado que con el mismo gas de combustión, la gasificación con oxígeno es solo ligeramente mejor que la gasificación con aire. Ambas tienen una eficiencia térmica de aproximadamente el 70% utilizando carbón como fuente de combustible. [ 30 ] Por lo tanto, el uso de una ASU no es realmente necesario en la precombustión.

La biomasa se considera "libre de azufre" como combustible para la captura previa a la combustión. Sin embargo, existen otros oligoelementos en la combustión de biomasa, como K y Na, que podrían acumularse en el sistema y finalmente causar la degradación de las partes mecánicas. [ 30 ] Por lo tanto, se necesitan más desarrollos de las técnicas de separación de estos oligoelementos. Además, después del proceso de gasificación, el CO₂ ocupa hasta un 13% - 15,3% en masa en la corriente de gas de síntesis para fuentes de biomasa, mientras que es solo 1,7% - 4,4% para el carbón. [ 30 ] Esto limita la conversión de CO a CO₂ en el desplazamiento del gas de agua, y la tasa de producción de H₂ disminuirá en consecuencia. Sin embargo, la eficiencia térmica de la captura previa a la combustión utilizando biomasa se asemeja a la del carbón, que es de alrededor del 62% - 100%. Algunas investigaciones encontraron que el uso de un sistema seco en lugar de una alimentación de combustible de lodo de biomasa/agua era más eficiente térmicamente y práctico para la biomasa. [ 30 ]

Postcombustión

Además de las tecnologías de precombustión y combustión con oxígeno puro, la postcombustión es una tecnología prometedora que puede utilizarse para extraer las emisiones de CO₂ de los recursos de combustible de biomasa. Durante el proceso, el CO₂ se separa de los demás gases en la corriente de gases de combustión después de que el combustible de biomasa se quema y se somete a un proceso de separación. Debido a su capacidad de adaptación a algunas centrales eléctricas existentes, como calderas de vapor, u otras centrales eléctricas de nueva construcción, la tecnología de postcombustión se considera una mejor opción que la tecnología de precombustión. Según las fichas informativas « US CONSUMPTION OF BIO-ENERGY WITH CARBON CAPTURE AND STORAGE», publicadas en marzo de 2018, se espera que la eficiencia de la tecnología de postcombustión sea del 95 %, mientras que la precombustión y la combustión con oxígeno puro capturan el CO₂ con una eficiencia del 85 % y del 87,5 %, respectivamente. [ 32 ]

El desarrollo de las tecnologías actuales de postcombustión no se ha completado del todo debido a varios problemas. Una de las principales preocupaciones al usar esta tecnología para capturar dióxido de carbono es el consumo de energía parasitaria. [ 33 ] Si la capacidad de la unidad se diseña para ser pequeña, la pérdida de calor al entorno es lo suficientemente grande como para causar demasiadas consecuencias negativas. Otro desafío de la captura de carbono postcombustión es cómo tratar los componentes de la mezcla en los gases de combustión de los materiales de biomasa iniciales después de la combustión. La mezcla consiste en una alta cantidad de metales alcalinos, halógenos, elementos ácidos y metales de transición que pueden tener impactos negativos en la eficiencia del proceso. Por lo tanto, la elección de solventes específicos y cómo administrar el proceso de solventes deben diseñarse y operarse cuidadosamente.

Materias primas de biomasa

Las fuentes de biomasa utilizadas en BECCS incluyen residuos y desechos agrícolas, residuos y desechos forestales, desechos industriales y municipales, y cultivos energéticos cultivados específicamente para su uso como combustible. [ 34 ]

Es necesario afrontar diversos desafíos para garantizar que la captura de carbono basada en biomasa sea factible y neutra en carbono. Las reservas de biomasa requieren la disponibilidad de agua y fertilizantes, que a su vez se encuentran en la intersección de desafíos ambientales en términos de agotamiento de recursos, conflictos y escorrentía de fertilizantes. Un segundo desafío importante es logístico: los productos de biomasa voluminosos requieren transporte a lugares geográficos que permitan el secuestro. [ 35 ]

Proyectos y plantas comerciales

A partir de 2024, existen 3 proyectos BECCS a gran escala en funcionamiento en el mundo. Todos ellos son plantas de etanol. [ 6 ] Entre 1972 y 2017, se anunciaron planes para secuestrar un total de 2,2 millones de toneladas de CO₂ por año utilizando CCS en plantas de energía de biomasa y residuos. Ninguno de estos planes se había materializado para 2022. [ 36 ]

En las plantas de etanol

El proyecto de captura y almacenamiento de carbono industrial de Illinois (IL-CCS), iniciado a principios del siglo XXI, es el primer proyecto de bioenergía con captura y almacenamiento de carbono (BECCS) a escala industrial. Ubicado en Decatur, Illinois, EE. UU., IL-CCS captura dióxido de carbono (CO₂ ) de la planta de etanol Archer Daniels Midland (ADM) y lo inyecta en la arenisca de Mount Simon, una formación salina profunda. El proyecto IL-CCS se divide en dos fases. La fase piloto, que se desarrolló de noviembre de 2011 a noviembre de 2014, tuvo un costo de capital de aproximadamente 84 millones de dólares. Durante este período, el proyecto capturó y almacenó con éxito 1 millón de toneladas de CO₂ sin fugas detectadas en la zona de inyección. El monitoreo continúa para futuras referencias. La fase 2 comenzó en noviembre de 2017, utilizando la misma zona de inyección con un costo de capital de aproximadamente 208 millones de dólares, incluyendo 141 millones de dólares en financiamiento del Departamento de Energía. Esta fase tiene una capacidad de captura tres veces mayor que la del proyecto piloto, lo que permite a IL-CCS capturar más de 1 millón de toneladas de CO₂ anualmente . En 2019, IL-CCS era el mayor proyecto BECCS del mundo. [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]

Además de IL-CCS, existen otros proyectos que capturan CO₂ de plantas de etanol a menor escala. Algunos ejemplos son:

  • Arkalon en Kansas, EE.UU.: 0,18-0,29 MtCO2/año
  • OCAP en los Países Bajos: 0,1-0,3 MtCO2/año
  • Husky Energy en Canadá: 0,09-0,1 MtCO2/año

Desafíos

Consideraciones ambientales

Algunas de las consideraciones ambientales y otras preocupaciones sobre la implementación generalizada de BECCS son similares a las de CCS. Sin embargo, gran parte de la crítica hacia CCS radica en que podría fortalecer la dependencia de combustibles fósiles agotables y la minería de carbón ambientalmente invasiva . Este no es el caso de BECCS, ya que se basa en biomasa renovable. No obstante, existen otras consideraciones relacionadas con BECCS, y estas preocupaciones se vinculan con el posible aumento del uso de biocombustibles . La producción de biomasa está sujeta a diversas limitaciones de sostenibilidad, como la escasez de tierras cultivables y agua dulce, la pérdida de biodiversidad , la competencia con la producción de alimentos y la deforestación . [ 40 ] Es importante asegurar que la biomasa se utilice de manera que se maximicen tanto los beneficios energéticos como los climáticos. Se han criticado algunos escenarios propuestos para la implementación de BECCS, en los que existiría una dependencia muy alta del aumento del aporte de biomasa. [ 41 ]

Se requerirían grandes extensiones de terreno para operar BECCS a escala industrial. Para eliminar 10 mil millones de toneladas de CO₂ , se necesitarían más de 300 millones de hectáreas (una superficie mayor que la de la India). [ 26 ] En consecuencia, BECCS conlleva el riesgo de utilizar tierras que podrían ser más adecuadas para la agricultura y la producción de alimentos, especialmente en los países en desarrollo.

Estos sistemas pueden tener otros efectos secundarios negativos. Sin embargo, actualmente no es necesario ampliar el uso de biocombustibles en aplicaciones energéticas o industriales para permitir la implementación de BECCS. Ya existen emisiones considerables de CO₂ derivadas de biomasa en fuentes puntuales , las cuales podrían utilizarse para BECCS. No obstante, en posibles escenarios futuros de ampliación de sistemas de bioenergía, este podría ser un factor importante a considerar.

El Sexto Informe de Evaluación del IPCC afirma: «El despliegue extensivo de bioenergía con captura y almacenamiento de carbono (BECCS) y reforestación requeriría mayores cantidades de recursos hídricos que los utilizados por la vegetación anterior, alterando el ciclo del agua a escalas regionales (alta confianza) con posibles consecuencias para los usos aguas abajo, la biodiversidad y el clima regional, dependiendo de la cobertura terrestre previa, las condiciones climáticas de fondo y la escala de despliegue (alta confianza)». [ 42 ]

Desafíos técnicos

Un desafío para la aplicación de la tecnología BECCS, al igual que con otras tecnologías de captura y almacenamiento de carbono, es encontrar ubicaciones geográficas adecuadas para construir la planta de combustión y secuestrar el CO₂ capturado . Si las fuentes de biomasa no están cerca de la unidad de combustión, el transporte de biomasa emite CO₂, lo que contrarresta la cantidad de CO₂ capturada por BECCS. BECCS también enfrenta problemas técnicos con respecto a la eficiencia de la combustión de biomasa. Si bien cada tipo de biomasa tiene un poder calorífico diferente, la biomasa en general es un combustible de baja calidad. La conversión térmica de biomasa suele tener una eficiencia del 20-27%. [ 43 ] En comparación, las centrales eléctricas de carbón tienen una eficiencia de alrededor del 37%. [ 44 ]

La BECCS también plantea la cuestión de si el proceso es realmente positivo en términos energéticos. La baja eficiencia de conversión de energía , el suministro de biomasa de alto consumo energético, combinado con la energía necesaria para alimentar la unidad de captura y almacenamiento de CO₂, imponen una penalización energética al sistema. Esto podría conducir a una baja eficiencia en la generación de energía. [ 45 ]

Fuentes de biomasa alternativas

Residuos agrícolas y forestales

A nivel mundial, se generan anualmente 14 Gt de residuos forestales y 4,4 Gt de residuos de cultivos (principalmente cebada, trigo, maíz, caña de azúcar y arroz). Esta es una cantidad significativa de biomasa que puede quemarse para generar 26 EJ/año y lograr una emisión negativa de CO₂ de 2,8 Gt mediante BECCS. La utilización de residuos para la captura de carbono proporcionará beneficios sociales y económicos a las comunidades rurales. El uso de residuos de cultivos y silvicultura es una forma de evitar los desafíos ecológicos y sociales de BECCS. [ 46 ]

Entre las estrategias de bioenergía forestal que se promueven, la gasificación de residuos forestales para la producción de electricidad ha ganado impulso político en muchos países en desarrollo debido a la abundancia de biomasa forestal y su asequibilidad, dado que son subproductos de la actividad forestal convencional. [ 47 ] Además, a diferencia de la naturaleza esporádica de la energía eólica y solar, la gasificación de residuos forestales para la generación de electricidad puede ser ininterrumpida y modificarse para satisfacer los cambios en la demanda energética. Las industrias forestales están bien posicionadas para desempeñar un papel destacado en la facilitación de la adopción y la ampliación de las estrategias de bioenergía forestal en respuesta a los desafíos de la seguridad energética y el cambio climático. [ 47 ] Sin embargo, los costos económicos de la utilización de residuos forestales para la producción de bioelectricidad y su impacto financiero potencial en las operaciones forestales convencionales están poco representados en los estudios sobre bioenergía forestal. La exploración de estas oportunidades, particularmente en contextos de países en desarrollo, puede reforzarse con investigaciones que evalúen la viabilidad financiera de la producción conjunta de madera y bioelectricidad. [ 47 ]

A pesar de las crecientes directrices y mandatos políticos para producir electricidad a partir de biomasa leñosa, la incertidumbre en torno a la viabilidad financiera y los riesgos para los inversores siguen impidiendo la transición hacia esta vía de energía renovable, especialmente en los países en desarrollo, donde la demanda es mayor. Esto se debe a que las inversiones en proyectos de bioenergía forestal están expuestas a altos niveles de riesgo financiero. Los elevados costos de capital, operación y mantenimiento de las plantas de gasificación basadas en residuos de cosecha, junto con los riesgos asociados, pueden disuadir a los potenciales inversores de invertir en un proyecto de bioelectricidad forestal. [ 47 ]

residuos sólidos municipales

Dado que los residuos sólidos urbanos contienen algunas sustancias biogénicas como alimentos, madera y papel, la incineración de residuos puede considerarse, hasta cierto punto, una fuente de bioenergía. Se estima que alrededor del 44 % de los residuos a nivel mundial consisten en residuos alimentarios y vegetales; otro 17 % es papel y cartón. [ 48 ] Se ha estimado que la captura de carbono reduciría las emisiones de carbono asociadas a las incineradoras de residuos en 700  kg de CO₂ por kg de residuos, suponiendo una tasa de captura del 85 %. La composición específica de los residuos no afecta significativamente a este valor. [ 49 ]

Cogeneración de carbón con biomasa

En 2017, existían aproximadamente 250 plantas de cogeneración en el mundo, incluidas 40 en Estados Unidos. [ 50 ] La cogeneración de biomasa con carbón tiene una eficiencia cercana a la de la combustión de carbón. [ 44 ] En lugar de la cogeneración, puede ser preferible la conversión total de carbón a biomasa de una o más unidades generadoras en una planta. [ 51 ]

Política

Según el Protocolo de Kioto , los proyectos de captura y almacenamiento de carbono no eran aplicables como herramienta de reducción de emisiones para el Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL) ni para los proyectos de Implementación Conjunta (IC). [ 52 ] En 2006, había un apoyo creciente para incluir la captura y almacenamiento de carbono (CCS) de combustibles fósiles y la captura y almacenamiento de carbono de biomasa (BECCS) en el protocolo y el Acuerdo de París. También se han realizado estudios contables sobre cómo podría implementarse esto, incluyendo la BECCS. [ 53 ]

unión Europea

Hubo políticas para incentivar el uso de bioenergía, como la Directiva de Energías Renovables (RED) y la Directiva sobre la Calidad de los Combustibles (FQD), que exigen que el 20% del consumo total de energía se base en biomasa, biolíquidos y biogás para 2020. [ 54 ]

Suecia

La Agencia Sueca de Energía recibió el encargo del gobierno sueco de diseñar un sistema de apoyo sueco para la BECCS que se implementaría para 2022. [ 55 ]

Reino Unido

En 2018, el Comité sobre el Cambio Climático recomendó que los biocombustibles para la aviación cubrieran hasta el 10 % de la demanda total de combustible para la aviación para 2050, y que todos los biocombustibles para la aviación se produjeran con captura y almacenamiento de carbono (CCS) tan pronto como la tecnología estuviera disponible. [ 56 ] : 159

Estados Unidos

En 2018, el Congreso de los Estados Unidos aumentó y extendió el crédito fiscal de la sección 45Q para el secuestro de óxidos de carbono, una prioridad principal para los defensores de la captura y el secuestro de carbono (CCS) durante varios años. Aumentó el crédito fiscal de $25.70 a $50 por tonelada de CO₂ para el almacenamiento geológico seguro y de $15.30 a $35 por tonelada de CO₂ utilizada en la recuperación mejorada de petróleo. [ 57 ]

Percepción pública

Son pocos los estudios que han investigado la percepción pública de la BECCS. La mayoría de estos estudios provienen de países desarrollados del hemisferio norte y, por lo tanto, es posible que no representen una visión global.

En un estudio de 2018 con participantes de un panel en línea del Reino Unido, Estados Unidos, Australia y Nueva Zelanda, los participantes mostraron escaso conocimiento previo de las tecnologías BECCS. Las percepciones de los participantes sugieren que el público asocia BECCS con una combinación de atributos positivos y negativos. En los cuatro países, el 45 % de los participantes indicó que apoyaría ensayos a pequeña escala de BECCS, mientras que solo el 21 % se opuso. BECCS fue moderadamente preferida frente a otros métodos de eliminación de dióxido de carbono, como la captura directa de aire o la meteorización mejorada , y muy preferida frente a los métodos de gestión de la radiación solar . [ 58 ]

Un estudio realizado en 2019 en Oxfordshire, Reino Unido, reveló que la percepción pública de BECCS estaba significativamente influenciada por las políticas utilizadas para respaldar esta práctica. Los participantes generalmente aprobaban los impuestos y las normas, pero tenían opiniones encontradas sobre el apoyo financiero del gobierno. [ 59 ]

Véase también

Referencias

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