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Combustible neutro en carbono

El combustible neutro en carbono es aquel que no produce emisiones netas de gases de efecto invernadero ni huella de carbono . En la práctica, esto suele significar combustibles...

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El combustible neutro en carbono es aquel que no produce emisiones netas de gases de efecto invernadero ni huella de carbono . En la práctica, esto suele significar combustibles que se elaboran utilizando dióxido de carbono (CO₂ ) como materia prima . Los combustibles neutros en carbono propuestos se pueden agrupar, a grandes rasgos, en combustibles sintéticos , que se elaboran mediante la hidrogenación química del dióxido de carbono, y biocombustibles , que se producen utilizando procesos naturales que consumen CO₂, como la fotosíntesis . [ 1 ] [ 2 ]

El dióxido de carbono utilizado para fabricar combustibles sintéticos puede capturarse directamente del aire , reciclarse de los gases de escape de las centrales eléctricas o derivarse del ácido carbónico del agua de mar . Ejemplos comunes de combustibles sintéticos incluyen el amoníaco y el metano , [ 3 ] aunque hidrocarburos más complejos como la gasolina y el combustible para aviones [ 4 ] también se han sintetizado artificialmente con éxito. Además de ser neutros en carbono, estos combustibles renovables pueden aliviar los costos y los problemas de dependencia de los combustibles fósiles importados sin requerir la electrificación de la flota de vehículos ni la conversión a hidrógeno u otros combustibles, lo que permite la continuidad de vehículos compatibles y asequibles. [ 5 ] Para ser verdaderamente neutros en carbono, cualquier energía requerida para el proceso debe ser en sí misma neutra en carbono o libre de emisiones, como la energía renovable o la energía nuclear . [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]

Si la combustión de combustibles neutros en carbono está sujeta a la captura de carbono en la chimenea, resultan en una emisión neta negativa de dióxido de carbono y, por lo tanto, pueden constituir una forma de remediación de gases de efecto invernadero . Las emisiones negativas se consideran un componente indispensable de los esfuerzos para limitar el calentamiento global, aunque las tecnologías de emisiones negativas actualmente no son económicamente viables para las empresas del sector privado. [ 10 ] Es probable que los créditos de carbono desempeñen un papel importante para los combustibles con emisiones negativas de carbono. [ 11 ]

Producción de hidrocarburos sintéticos

Los hidrocarburos sintéticos se pueden producir mediante reacciones químicas entre el dióxido de carbono, que se puede capturar de centrales eléctricas o del aire, y el hidrógeno . El combustible, a menudo denominado electrocombustible , almacena la energía que se utilizó en la producción del hidrógeno. [ 12 ]

El hidrógeno como combustible se prepara típicamente mediante la electrólisis del agua en un proceso de conversión de energía eléctrica en gas . Para minimizar las emisiones, la electricidad se produce utilizando una fuente de energía de bajas emisiones, como la energía eólica , solar o nuclear . [ 13 ]

Mediante la reacción de Sabatier se puede producir metano, que luego se puede almacenar para su posterior combustión en centrales eléctricas (como gas natural sintético ), transportar por gasoducto, camión o buque cisterna, o utilizarse en procesos de conversión de gas a líquidos, como el proceso Fischer-Tropsch, para producir combustibles tradicionales para el transporte o la calefacción. [ 5 ] [ 14 ] [ 15 ]

Existen otros combustibles que pueden crearse utilizando hidrógeno. Por ejemplo , el ácido fórmico puede obtenerse mediante la reacción del hidrógeno con CO₂ . El ácido fórmico, combinado con CO₂ , puede formar isobutanol . [ 16 ]

El metanol se puede obtener mediante la reacción química de una molécula de dióxido de carbono con tres moléculas de hidrógeno, produciendo metanol y agua. La energía almacenada se puede recuperar quemando el metanol en un motor de combustión, liberando dióxido de carbono, agua y calor. El metano se puede producir mediante una reacción similar. Es importante tomar precauciones especiales contra las fugas de metano, ya que este es casi 100 veces más potente que el CO₂ en lo que respecta al potencial de calentamiento global a 20 años . Se puede utilizar más energía para combinar metanol o metano en moléculas de hidrocarburos combustibles más grandes. [ 5 ]

Los investigadores también han sugerido utilizar metanol para producir dimetil éter . Este combustible podría usarse como sustituto del gasóleo debido a su capacidad de autoencenderse a alta presión y temperatura. Ya se utiliza en algunas zonas para calefacción y generación de energía. No es tóxico, pero debe almacenarse a presión. [ 17 ] Los hidrocarburos de mayor tamaño [ 18 ] y el etanol [ 19 ] también pueden producirse a partir de dióxido de carbono e hidrógeno.

Generalmente, todos los hidrocarburos sintéticos se producen a temperaturas de 200–300  °C y presiones de 20 a 50 bar. Se suelen utilizar catalizadores  para mejorar la eficiencia de la reacción y obtener el tipo de combustible de hidrocarburo deseado. Estas reacciones son exotérmicas y consumen aproximadamente 3 moles de hidrógeno por cada mol de dióxido de carbono involucrado. Además, generan grandes cantidades de agua como subproducto. [ 6 ]

Fuentes de carbono para el reciclaje

La fuente de carbono más económica para reciclar en combustible son las emisiones de gases de combustión de combustibles fósiles, donde se puede obtener por aproximadamente US$7.50 por tonelada. [ 8 ] [ 20 ] [ 14 ] Sin embargo, esto no es neutro en carbono, ya que el carbono es de origen fósil, por lo tanto, moviendo carbono de la geosfera a la atmósfera. Dado que el ácido carbónico en el agua de mar está en equilibrio químico con el dióxido de carbono atmosférico, se ha estudiado la extracción de carbono del agua de mar. [ 21 ] [ 22 ] Los investigadores han estimado que la extracción de carbono del agua de mar costaría alrededor de $50 por tonelada. [ 9 ] La captura de carbono del aire ambiente es más costosa, entre $94 y $232 por tonelada y se considera poco práctica para la síntesis de combustible o el secuestro de carbono. [ 23 ] La captura directa del aire está menos desarrollada que otros métodos. Las propuestas para este método implican el uso de un químico cáustico para reaccionar con el dióxido de carbono en el aire para producir carbonatos . Estos compuestos pueden descomponerse e hidratarse para liberar CO₂ puro y regenerar el producto químico cáustico. Este proceso requiere más energía que otros métodos, ya que el dióxido de carbono se encuentra en concentraciones mucho menores en la atmósfera que en otras fuentes. [ 5 ]

Los investigadores también han sugerido utilizar biomasa como fuente de carbono para la producción de combustible. La adición de hidrógeno a la biomasa reduciría su carbono para producir combustible. Este método tiene la ventaja de utilizar materia vegetal para capturar dióxido de carbono de forma económica. Las plantas también aportan energía química al combustible a partir de moléculas biológicas. Esto podría ser un uso más eficiente de la biomasa que los biocombustibles convencionales , ya que aprovecha la mayor parte del carbono y la energía química de la biomasa en lugar de liberar tanta energía y carbono. Su principal desventaja es que, al igual que la producción convencional de etanol, compite con la producción de alimentos. [ 6 ]

Costos de energía renovable y nuclear

La energía eólica nocturna se considera la forma más económica de energía eléctrica para sintetizar combustible, ya que la curva de carga eléctrica alcanza su pico máximo durante las horas más cálidas del día, pero el viento tiende a soplar ligeramente más fuerte por la noche que durante el día. Por lo tanto, el precio de la energía eólica nocturna suele ser mucho menor que el de cualquier alternativa. Los precios de la energía eólica fuera de las horas pico en áreas de alta penetración eólica de EE. UU. promediaron 1,64 centavos por kilovatio-hora en 2009, pero solo 0,71 centavos/kWh durante las seis horas menos costosas del día. [ 5 ] Normalmente, la electricidad al por mayor cuesta de 2 a 5 centavos/kWh durante el día. [ 24 ] Las empresas comerciales de síntesis de combustible sugieren que pueden producir gasolina por menos que los combustibles derivados del petróleo cuando el petróleo cuesta más de 55 dólares por barril. [ 25 ]

En 2010, un equipo de químicos de procesos liderado por Heather Willauer de la Marina de los EE. UU. estimó que 100 megavatios de electricidad pueden producir 160 metros cúbicos (41 000 galones estadounidenses ) de combustible para aviones por día, y que la producción a bordo de buques mediante energía nuclear costaría alrededor de 1600 dólares por metro cúbico (6 dólares por galón estadounidense) . Si bien esto representaba aproximadamente el doble del costo del combustible derivado del petróleo en 2010, se espera que sea mucho menor que el precio de mercado en menos de cinco años si continúan las tendencias recientes.   Además, dado que el suministro de combustible a un grupo de batalla de portaaviones cuesta alrededor de 2100 dólares por metro cúbico (8 dólares por galón estadounidense) , la producción a bordo de los buques ya es mucho menos costosa. [ 26 ] 

Willauer afirmó que el agua de mar es la "mejor opción" como fuente de combustible sintético para aviones. [ 27 ] [ 28 ] En abril de 2014, el equipo de Willauer aún no había logrado producir combustible con la calidad requerida por los aviones militares, [ 29 ] [ 30 ] pero en septiembre de 2013 pudieron utilizarlo para volar un avión modelo radiocontrolado propulsado por un motor de combustión interna de dos tiempos común. [ 31 ] Debido a que el proceso requiere un gran aporte de energía eléctrica, un primer paso plausible para su implementación sería que los portaaviones estadounidenses de propulsión nuclear ( clase Nimitz y clase Gerald R. Ford ) fabricaran su propio combustible para aviones. [ 32 ] Se espera que la Armada de los Estados Unidos implemente la tecnología en algún momento de la década de 2020. [ 27 ]

En 2023, un estudio publicado por el Centro de Excelencia de Seguridad Energética de la OTAN concluyó que los combustibles electrónicos ofrecen una de las vías de descarbonización más prometedoras para la movilidad militar en los ámbitos terrestre, marítimo y aéreo. [ 33 ]

Proyectos de demostración y desarrollo comercial

Una planta de síntesis de metano de 250 kilovatios fue construida por el Centro de Investigación de Energía Solar e Hidrógeno (ZSW) de Baden-Württemberg y la Sociedad Fraunhofer en Alemania, y comenzó a operar en 2010. Actualmente se está ampliando a 10 megavatios, con finalización prevista para otoño de 2012. [ 34 ] [ 35 ]

La planta de reciclaje de dióxido de carbono George Olah (que lleva el nombre de George Andrew Olah [ 36 ] ), operada por Carbon Recycling International en Grindavík , Islandia, ha estado produciendo 2 millones de litros de metanol como combustible para el transporte por año a partir de los gases de escape de la central eléctrica de Svartsengi desde 2011. [ 37 ] Tiene capacidad para producir 5 millones de litros por año. [ 38 ]

Audi ha construido una planta de gas natural licuado (GNL) neutra en carbono en Werlte, Alemania . [ 39 ] La planta está destinada a producir combustible para el transporte que compense el GNL utilizado en sus automóviles A3 Sportback g-tron , y puede evitar la emisión de 2800 toneladas métricas de CO₂ al medio ambiente por año a su capacidad inicial. [ 40 ]

Zero , una empresa británica fundada por el exingeniero de F1 Paddy Lowe , ha desarrollado un proceso que denomina «petrosíntesis» para producir combustibles sintéticos a partir de dióxido de carbono atmosférico y agua utilizando energía renovable. En 2022, comenzó a trabajar en una planta de producción de demostración [ 41 ] en Bicester Heritage, cerca de Oxford.

Se están llevando a cabo desarrollos comerciales en Columbia, Carolina del Sur , [ 42 ] Camarillo, California , [ 43 ] y Darlington, Inglaterra . [ 44 ] Un proyecto de demostración en Berkeley, California , propone sintetizar tanto combustibles como aceites comestibles a partir de gases de combustión recuperados. [ 45 ]

remediación de gases de efecto invernadero

Los combustibles neutros en carbono pueden conducir a la remediación de gases de efecto invernadero porque el dióxido de carbono se reutilizaría para producir combustible en lugar de liberarse a la atmósfera. Capturar el dióxido de carbono en las emisiones de gases de combustión de las centrales eléctricas eliminaría sus emisiones de gases de efecto invernadero, aunque la combustión del combustible en los vehículos liberaría ese carbono porque no hay una forma económica de capturar esas emisiones. [ 5 ] Este enfoque reduciría la emisión neta de dióxido de carbono en aproximadamente un 50% si se utilizara en todas las centrales eléctricas de combustibles fósiles. Se ha pronosticado que la mayoría de las centrales eléctricas de carbón y gas natural se pueden adaptar económicamente con depuradores de dióxido de carbono para la captura de carbono para reciclar los gases de combustión o para el secuestro de carbono . [ 46 ] [ 20 ] [ 47 ] Se espera que dicho reciclaje no solo cueste menos que los impactos económicos excesivos del cambio climático si no se hiciera, sino que también se autofinancie a medida que el crecimiento de la demanda mundial de combustible y la escasez máxima de petróleo aumenten el precio del petróleo y el gas natural fungible . [ 48 ] [ 49 ]

La captura directa de CO₂ del aire, conocida como captura directa de aire , o la extracción de ácido carbónico del agua de mar también reducirían la cantidad de dióxido de carbono en el medio ambiente y crearían un ciclo cerrado de carbono para eliminar las nuevas emisiones de dióxido de carbono. [ 6 ] El uso de estos métodos eliminaría por completo la necesidad de combustibles fósiles, suponiendo que se pudiera generar suficiente energía renovable para producir el combustible. El uso de hidrocarburos sintéticos para producir materiales sintéticos como plásticos podría resultar en el secuestro permanente de carbono de la atmósfera. [ 5 ]

Tecnologías

Combustibles tradicionales, metanol o etanol.

Algunas autoridades han recomendado producir metanol en lugar de combustibles tradicionales para el transporte. Es líquido a temperaturas normales y puede ser tóxico si se ingiere. El metanol tiene un índice de octano más alto que la gasolina, pero una menor densidad energética , y puede mezclarse con otros combustibles o usarse solo. También puede utilizarse en la producción de hidrocarburos y polímeros más complejos. El Laboratorio de Propulsión a Chorro de Caltech ha desarrollado pilas de combustible de metanol directo para convertir metanol y oxígeno en electricidad. [ 17 ] Es posible convertir el metanol en gasolina, combustible para aviones u otros hidrocarburos, pero eso requiere energía adicional e instalaciones de producción más complejas. [ 5 ] El metanol es ligeramente más corrosivo que los combustibles tradicionales, lo que requiere modificaciones en los automóviles del orden de US$100 cada una para poder usarlo. [ 6 ] [ 50 ]

En 2016, se desarrolló un método que utiliza picos de carbono , nanopartículas de cobre y nitrógeno que convierte el dióxido de carbono en etanol . [ 51 ]

Microalgas

El combustible elaborado a partir de microalgas podría tener una baja huella de carbono y es un área activa de investigación, aunque hasta la fecha no se ha comercializado ningún sistema de producción a gran escala. Las microalgas son organismos acuáticos unicelulares . Aunque, a diferencia de la mayoría de las plantas, tienen estructuras celulares extremadamente simples, son fotoautótrofas , capaces de utilizar la energía solar para convertir el dióxido de carbono en carbohidratos y grasas mediante la fotosíntesis . Estos compuestos pueden servir como materias primas para biocombustibles como el bioetanol o el biodiésel . [ 52 ] Por lo tanto, aunque la combustión de combustible a base de microalgas para obtener energía produciría emisiones como cualquier otro combustible, podría ser casi neutro en carbono si, en su conjunto, consumieran tanto dióxido de carbono como se emite durante la combustión.

Las ventajas de las microalgas radican en su mayor eficiencia de fijación de CO₂ en comparación con la mayoría de las plantas [ 53 ] y su capacidad para prosperar en una amplia variedad de hábitats acuáticos [ 54 ] . Su principal desventaja es su elevado coste. Se ha argumentado que su composición química única y altamente variable podría hacerlas atractivas para aplicaciones específicas [ 52 ] .

Las microalgas también pueden utilizarse como alimento para el ganado debido a sus proteínas. Además, algunas especies de microalgas producen compuestos valiosos como pigmentos y productos farmacéuticos. [ 55 ]

Producción

Estanque de cultivo en canal utilizado para el cultivo de microalgas. El agua se mantiene en constante movimiento mediante una rueda de paletas motorizada.

Dos métodos principales para el cultivo de microalgas son los sistemas de estanques de canal cerrado y los fotobiorreactores. Los sistemas de estanques de canal cerrado se construyen mediante un canal ovalado de circuito cerrado con una rueda de paletas para hacer circular el agua y evitar la sedimentación. El canal está abierto al aire y su profundidad oscila entre 0,25 y 0,4 m (0,82 y 1,31 pies) . [ 52 ] El estanque debe mantenerse poco profundo, ya que el auto-sombreado y la absorción óptica pueden limitar la penetración de la luz a través de la solución de caldo de algas. El medio de cultivo de los fotobiorreactores se construye mediante una matriz cerrada de tubos transparentes. Cuenta con un depósito central por donde circula el caldo de microalgas. Los fotobiorreactores son un sistema más fácil de controlar que el sistema de estanques de canal cerrado, pero su coste total de producción es mayor.  

Las emisiones de carbono de la biomasa de microalgas producida en estanques de cultivo tipo raceway podrían compararse con las emisiones del biodiésel convencional, dado que el aporte de energía y nutrientes es igualmente intensivo en carbono . Las emisiones correspondientes de la biomasa de microalgas producida en fotobiorreactores (PBR) también podrían compararse e incluso superar las emisiones del diésel fósil convencional. La ineficiencia se debe a la cantidad de electricidad utilizada para bombear el caldo de algas por el sistema. El uso de subproductos para generar electricidad es una estrategia que podría mejorar el balance de carbono general. Otro aspecto a considerar es que los impactos ambientales también pueden provenir de la gestión del agua, el manejo del dióxido de carbono y el suministro de nutrientes, varios aspectos que podrían limitar las opciones de diseño e implementación del sistema. Sin embargo, en general, los sistemas de estanques tipo raceway demuestran un balance energético más atractivo que los sistemas de fotobiorreactores (PBR).

Economía

El costo de producción de biocombustible a partir de microalgas mediante sistemas de estanques de cultivo está dominado por el costo operativo, que incluye mano de obra, materias primas y servicios públicos. En el sistema de estanques de cultivo, durante el proceso de cultivo, la electricidad consume la mayor fracción de la energía total requerida para la operación. Se utiliza para la circulación de los cultivos de microalgas y consume una fracción de energía que oscila entre el 22 % y el 79 %. [ 52 ] En contraste, el costo de capital domina el costo de producción de biocombustible a partir de microalgas en los PBR. Este sistema tiene un alto costo de instalación, aunque el costo operativo es relativamente menor que el de los sistemas de estanques de cultivo.

La producción de biocombustible a partir de microalgas tiene un costo mayor que la producción de combustibles fósiles. El costo estimado de producir biocombustible a partir de microalgas es de alrededor de $3.1 por litro ($11.57/ galón estadounidense) [ 56 ] , lo que es considerablemente más caro que la gasolina convencional. Sin embargo, en comparación con la electrificación de la flota vehicular, una ventaja clave de este biocombustible es que evita la costosa distribución de grandes cantidades de energía eléctrica (como se requiere para convertir las flotas vehiculares existentes a tecnología de baterías eléctricas), lo que permite la reutilización de la infraestructura de transporte de combustible líquido existente. El biocombustible como el etanol también tiene una densidad energética mucho mayor que las tecnologías de baterías actuales (aproximadamente 6 veces mayor [ 57 ] ), lo que promueve aún más su viabilidad económica. 

Impacto ambiental

La construcción de instalaciones de cultivo de microalgas a gran escala inevitablemente conllevaría impactos ambientales negativos relacionados con el cambio de uso del suelo , como la destrucción de hábitats naturales existentes. Las microalgas también pueden, bajo ciertas condiciones, emitir gases de efecto invernadero, como metano u óxido nitroso , o gases malolientes, como sulfuro de hidrógeno , aunque esto no se ha estudiado ampliamente hasta la fecha. Si no se gestionan adecuadamente, las toxinas producidas naturalmente por las microalgas pueden filtrarse al suelo o al agua subterránea circundante. [ 58 ]

Producción

El agua se somete a electrólisis a altas temperaturas para formar hidrógeno y oxígeno gaseosos. La energía necesaria para este proceso se extrae de fuentes renovables como la energía eólica. Posteriormente, el hidrógeno reacciona con dióxido de carbono comprimido capturado mediante captura directa de aire . Esta reacción produce crudo azul, compuesto de hidrocarburos. El crudo azul se refina para producir diésel eléctrico de alta eficiencia. [ 59 ] [ 60 ] Sin embargo, este método sigue siendo objeto de debate, ya que con la capacidad de producción actual solo puede producir 3000 litros en pocos meses, lo que representa el 0,0002 % de la producción diaria de combustible en EE. UU. [ 61 ] Además, se ha cuestionado la viabilidad termodinámica y económica de esta tecnología. Un artículo sugiere que esta tecnología no crea una alternativa a los combustibles fósiles, sino que convierte energía renovable en combustible líquido. El artículo también afirma que el retorno energético de la energía invertida en diésel fósil es 18 veces mayor que el del diésel eléctrico. [ 62 ]

Historia

La investigación de combustibles neutros en carbono se ha llevado a cabo durante décadas. Un informe de 1965 sugirió sintetizar metanol a partir de dióxido de carbono en el aire utilizando energía nuclear para un depósito móvil de combustible. [ 63 ] La producción de combustible sintético a bordo de buques utilizando energía nuclear se estudió en 1977 y 1995. [ 64 ] [ 65 ] [ 66 ] Un informe de 1984 estudió la recuperación de dióxido de carbono de plantas de combustibles fósiles. [ 67 ] Un informe de 1995 comparó la conversión de flotas de vehículos para el uso de metanol neutro en carbono con la síntesis posterior de gasolina . [ 50 ]

Véase también

Referencias

Libros e informes

  • Combustibles sintéticos sostenibles a base de carbono para el transporte . Londres: Royal Society. 2019. ISBN 978-1-78252-422-9OCLC 1181251736​​ 

Notas

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  4. ↑ "La síntesis de combustible de aire demuestra que la gasolina a partir del aire tiene futuro" . Archivado del original el 5 de junio de 2019. Consultado el 5 de junio de 2019 .
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Lecturas adicionales

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  • Kulkarni, Ambarish R.; Sholl, David S. (2012). "Análisis de procesos TSA basados ​​en el equilibrio para la captura directa de CO 2 del aire". Industrial and Engineering Chemistry Research . 51 (25): 8631– 45. doi : 10.1021/ie300691c .— afirma que la extracción de CO2 del aire cuesta 100 dólares estadounidenses por tonelada , sin contar los gastos de capital.
  • Holligan, Anna (1 de octubre de 2019). "Combustible para aviones de la nada: ¿esperanza o exageración de la aviación?" . BBC News . Consultado el 24 de octubre de 2019 .
  • Combustibles eólicos Doty (Columbia, Carolina del Sur)
  • Modelo de costos para el proceso de combustible sintético nuclear de cero emisiones de carbono de la Armada de los EE. UU. Archivado el 13 de mayo de 2013 en la hoja de cálculo de Wayback Machine por John Morgan (enero de 2013; fuente )
  • Entrevista con Kathy Lewis del Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos.