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Jun 15, 2024

La captura y el almacenamiento de carbono finalmente se acercan al debut

BOLSILLO DE LA CONTAMINACIÓN La captura y el almacenamiento de carbono pueden reducir hasta el 90 por ciento de las emisiones de dióxido de carbono de las centrales eléctricas. Con más de una docena de comienzos en falso, la tecnología aún no se ha demostrado en

CONTAMINACIÓN EN BOLSILLO La captura y el almacenamiento de carbono pueden reducir hasta el 90 por ciento de las emisiones de dióxido de carbono de las centrales eléctricas. Con más de una docena de comienzos en falso, la tecnología aún no se ha demostrado a escala comercial. Dos proyectos a punto de finalizar pronto podrían cambiar eso.

Nicole Rager Fuller

Por Beth Mole

22 de agosto de 2014 a las 15:11

Como cualquier otro proyecto, Jänschwalde fracasó.

En 2008, se convertiría en la demostración más grande del mundo de cuán limpiamente se puede quemar carbón para generar electricidad. Jänschwalde, la modernización de una antigua central eléctrica en Alemania, se convertiría en un modelo de tecnología que puede reducir hasta el 90 por ciento del dióxido de carbono emitido por las centrales eléctricas que queman combustibles fósiles, la mayor fuente mundial de emisiones de gases de efecto invernadero. La tecnología, llamada captura y almacenamiento de carbono (CCS, por sus siglas en inglés), recolecta la contaminación de carbono que calienta el planeta producida por las centrales eléctricas y la elimina permanentemente de la circulación. A medida que el mundo aumenta constantemente el uso de combustibles fósiles y las emisiones de gases de efecto invernadero continúan aumentando, la CAC tiene un enorme potencial para ayudar a evitar los terribles escenarios climáticos pronosticados para el próximo siglo.

Sin embargo, al igual que más de una docena de proyectos similares, Jänschwalde fue abandonado. La CCS, con todo su potencial, volvió a un estado de limbo. Desde hace años (mucho antes de que Jänschwalde se retirara), la escasez de financiación y la política hostil han frenado a CCS. A pesar de las pruebas exitosas y los proyectos piloto, la prometedora tecnología aún no tiene una demostración a gran escala ni un punto de apoyo en la producción de energía convencional.

"Esta es una historia un poco triste", dice Wolfgang Rolland de Vattenfall, la compañía eléctrica estatal sueca que dirigió el proyecto Jänschwalde. "Hemos perdido cuatro o cinco años", afirma Rolland, jefe de comunicación empresarial de la unidad de minería y generación de Vattenfall. “Por otro lado, ninguno de los problemas que tenemos está resuelto. Todavía tenemos el clima, todavía tenemos al mundo aumentando el uso de carbón”.

Este año, la historia de la CAC podría cambiar. En América del Norte, dos centrales eléctricas a escala comercial están a punto de poner en funcionamiento la tecnología CCS por primera vez. Ambos están entrando en las etapas finales de construcción. Los proyectos, uno en Mississippi y el otro en Canadá, ya han llegado más lejos que cualquier otro proyecto de demostración de captura de carbono hasta la fecha. Si los dos proyectos entran en funcionamiento, podrían abrir el camino para otras plantas equipadas con CAC en todo el mundo, reducir las emisiones y ayudar a combatir el cambio climático. Si las nuevas plantas siguen el camino de Jänschwalde, la tecnología se quedará en el limbo durante más años.

Las preocupaciones sobre estos proyectos se están filtrando dentro de la comunidad CCS. Las tecnologías específicas que cada planta ha elegido pueden ser difíciles de replicar en otros lugares. Y ambos proyectos han enfrentado dificultades financieras y retrasos, quizás sentando un precedente preocupante para futuras plantas.

El campo es cauteloso, dice Howard Herzog, ingeniero de investigación senior del MIT y experto en tecnología CCS. "La gente tiene una actitud más bien de esperar y ver qué pasa", dice Herzog. “En 2008 había mucho optimismo. Ahora, no hay muchos proyectos nuevos en preparación”.

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A pesar de la incertidumbre sobre su implementación, la tecnología detrás de CCS funciona. En algunos casos, ha funcionado durante décadas. Incluso sin un lanzamiento comercial, los científicos e ingenieros de CCS han optado por métodos más baratos y eficientes. Fragmentos de esta tecnología han surgido en los sistemas de monitoreo ambiental y en las industrias de procesamiento de alimentos y bebidas, que pueden utilizar el CO2 recolectado de las plantas de energía. Más de una docena de pequeños ensayos en todo el mundo han demostrado que la CCS puede reducir las emisiones de las centrales eléctricas y almacenar de forma segura el gas capturado en formaciones rocosas a gran profundidad.

Hasta ahora, los científicos han desarrollado tres formas de capturar carbono de las centrales eléctricas y otras fuentes de emisión: oxicombustión, precombustión y poscombustión. El método de oxicombustible quema combustible no en aire sino en oxígeno puro, lo que da como resultado un escape compuesto principalmente de CO2 y vapor de agua, que son fáciles de separar. En la precombustión, el combustible se convierte en una mezcla gaseosa de CO2 e hidrógeno. Luego se separan los dos gases y se recoge el CO2 mientras el hidrógeno pasa a una turbina. En la poscombustión, el método de captura más establecido, el escape creado al quemar combustible se mueve a través de grandes silos que lo limpian químicamente de CO2. Después de la captura, el CO2 se canaliza hasta su almacenamiento.

La historia continúa debajo de la infografía.

El proyecto Boundary Dam de Canadá dependerá de aminas para eliminar el CO2 de los gases de combustión de la central eléctrica. La reacción ácido-base utiliza un líquido alcalino para capturar el CO2 ácido. Pero hervir el gas para capturarlo posteriormente puede consumir mucha energía.

Fuente: JD Figueroa et al/Int. J. Greenh. Control de gases 2008; Crédito: E. Otwell

"Las piezas tecnológicas individuales que encajan entre sí para la CCS están todas establecidas", dice la experta en CCS Casie Davidson del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico en Richland, Washington. El único paso que falta, dice, "es demostrar cómo las tecnologías funcionan juntas como un todo". entero."

Jänschwalde debía ser esa demostración. El proyecto de 1.500 millones de euros (alrededor de 2.000 millones de dólares) habría mejorado una antigua planta de carbón que contamina el aire en Alemania con tecnologías de oxicombustión y poscombustión, dando a sus operadores la capacidad de almacenar alrededor de 1,7 millones de toneladas métricas de CO2 cada año. Pero en 2011, en medio de temores públicos y prolongadas batallas políticas, Vattenfall abandonó Jänschwalde antes de que el proyecto comenzara a construirse. En mayo de este año, Vattenfall anunció su derrota y abandonó todos los esfuerzos en materia de CCS.

Vattenfall encontró la tecnología atrapada en un callejón sin salida: sin una demostración de CAC a la escala de Jänschwalde, los críticos dicen que la tecnología no está lista para el horario de máxima audiencia ni es digna de incentivos gubernamentales y respaldo público. Y sin ese respaldo, construir una gran manifestación es difícil, dados los obstáculos financieros y regulatorios. El dilema se desarrolló en Estados Unidos en septiembre pasado, cuando la Agencia de Protección Ambiental propuso que las nuevas plantas de combustibles fósiles estuvieran equipadas con tecnología CAC. Las compañías eléctricas se opusieron, alegando que requerir una tecnología costosa y “no probada” sacaría del negocio a las plantas de carbón. En junio, la EPA publicó regulaciones para reducir la contaminación de carbono de las plantas de energía existentes, pero no estableció requisitos para la CAC.

Implementar nueva tecnología no es fácil, dice Ken Humphreys, director ejecutivo de FutureGen Industrial Alliance, que está planificando uno de los pocos proyectos CCS a gran escala que aún están en trámite. "No es particularmente sorprendente que en todo el mundo, por cada 10 proyectos que se anuncian, sólo uno o un par lleguen a la construcción", dice. FutureGen, con sede en Jacksonville, Illinois, planea modernizar una planta de carbón en Illinois con combustión de oxicorte y ponerla en funcionamiento para 2017.

El potencial de la CAC para ayudar a combatir el cambio climático hace que la lucha valga la pena, dice Humphreys. La comunidad científica está de acuerdo. En un informe publicado en abril, el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático de las Naciones Unidas incluyó la CAC en un pequeño conjunto de soluciones de energía limpia que, según dice, son necesarias para evitar un aumento de 2 grados centígrados en las temperaturas globales por encima de los niveles preindustriales. Sin triplicar o cuadruplicar el uso de estas energías más verdes a nivel mundial, el cambio climático seguirá poniendo en peligro a comunidades de todo el mundo, concluyó el IPCC. Los riesgos incluyen inundaciones, condiciones climáticas extremas, amenazas a los rendimientos agrícolas y la producción pesquera y la propagación de organismos portadores de enfermedades.

Mientras tanto, las emisiones de gases de efecto invernadero siguen aumentando. Las emisiones globales de CO2 relacionadas con la quema de combustibles fósiles alcanzaron aproximadamente 31 gigatoneladas en 2011. De ellas, el 42 por ciento, o alrededor de 13 gigatoneladas, provinieron de la generación de electricidad y calor, según la Agencia Internacional de Energía, una organización intergubernamental. Desde 1990, las emisiones de CO2 de este sector casi se han duplicado. Si bien la CCS podría potencialmente reducir las emisiones de carbono derivadas de la quema de cualquier combustible fósil, el carbón es un primer objetivo obvio. Al liberar más CO2 durante su combustión que cualquier otro combustible fósil, el carbón es la principal fuente mundial de emisiones de CO2 relacionadas con la energía y representa alrededor del 44 por ciento. Se espera que su participación en las emisiones totales del sector energético aumente en las próximas dos décadas.

"El informe del IPCC dice que habrá consecuencias nefastas", dice Herzog. Sin embargo, “el resultado es que todo sigue igual”.

Según Rolland de Vattenfall, la mejor esperanza para algo diferente a lo habitual está en el destino de los dos proyectos de CCS de América del Norte: la instalación energética del condado de Kemper en Mississippi y la central eléctrica de Boundary Dam en Estevan, Canadá.

Aun así, los científicos norteamericanos no se sienten favoritos. “En todo caso, hemos ido cuesta abajo desde 2009”, dice el ingeniero químico Gary Rochelle de la Universidad de Texas en Austin. Rochelle se especializa en captura poscombustión, la tecnología prevista para la planta de Boundary Dam. Dada la larga serie de proyectos fallidos de CCS, a Rochelle le preocupa que la ciencia detrás de la CCS se haya estancado, y a otros les preocupa que el campo haya perdido talento en ingeniería. El método básico para la captura poscombustión fue patentado en los años 1930.

La tecnología Boundary Dam se reduce a una simple reacción ácido-base, utilizando un método llamado depuración de aminas. En algunas versiones modernas, el gas producido al quemar carbón (generalmente una mezcla de oxígeno, vapor de agua, nitrógeno, CO2 y otros contaminantes traza como dióxido de azufre) se expulsa a través de un cilindro de 15 metros de alto y 30 metros de ancho. lleno de capas de material en forma de caja de huevos. El gas sopla desde abajo, mientras que una solución de amina, un líquido alcalino, cae desde arriba. La solución gotea sobre la gran superficie creada por las ranuras y crestas en el material que empaqueta el cilindro. A medida que la amina gotea, atrapa el CO2 ácido que sube. El escape, ahora libre de CO2, sale por la parte superior. Mientras tanto, la solución que contiene CO2 se acumula en el fondo del cilindro antes de ser succionada hacia otra torre gigante. Allí, la mezcla se hierve, liberando una corriente de CO2 puro para su captura.

Durante los últimos 80 años, los investigadores han realizado mejoras incrementales: eligiendo la mejor amina y modificando los diseños para utilizar menos energía. Aun así, el proceso puede requerir alrededor de una cuarta parte de la producción de energía de una planta, particularmente para hervir el CO2 en el paso de extracción. "Seguimos logrando avances", dice Rochelle, "5 por ciento aquí, 5 por ciento allá: mejoras evolutivas". Sin una demostración a gran escala para modificar y perfeccionar, estos logros son académicos.

Aunque Rochelle no participa en el proyecto Boundary Dam, lo sigue de cerca. Además de convertirse quizás en una de las primeras demostraciones a gran escala de CAC, el proyecto podría proporcionar un modelo sobre cómo equipar las centrales eléctricas existentes con depuración poscombustión. El proyecto de 1.350 millones de dólares, dirigido por la empresa eléctrica SaskPower, con sede en Saskatchewan, implica modernizar parte de una antigua planta alimentada con carbón con esta tecnología. La compañía dice que la planta capturará alrededor del 90 por ciento de sus emisiones de CO2, o 1 millón de toneladas métricas de CO2 cada año, aproximadamente la misma reducción anual que equivale a sacar de circulación 250.000 automóviles.

El proyecto ha tenido obstáculos. Inicialmente se esperaba que abriera el pasado mes de abril. En octubre pasado, SaskPower anunció un retraso y añadió 115 millones de dólares al presupuesto del proyecto. La antigua planta necesitaba mejoras imprevistas, incluidos refuerzos de acero y eliminación de pintura con plomo. El trabajo también se desaceleró ese mes cuando la compañía eléctrica hizo una pausa para retirar 800 ranas protegidas por el gobierno federal del área alrededor del sitio de construcción. Con más del 90 por ciento de la construcción completa, SaskPower ahora planea abrir la planta a finales de este año.

Los reveses parecen insignificantes en comparación con los que enfrentó el proyecto Kemper de Mississippi, dirigido por Southern Company. El proyecto de 5.500 millones de dólares estaba originalmente programado para inaugurarse a principios de 2014. Su apertura se retrasó hasta el primer semestre de 2015 y sus sobrecostos presupuestarios superan los 1.500 millones de dólares. Los retrasos y los sobrecostos no son los únicos problemas que enfrenta el proyecto.

El proyecto Kemper utilizará captura de precombustión que requiere primero convertir el carbón no quemado en gas. El carbón se pulveriza, se mezcla con oxígeno y vapor y luego se calienta en un aparato llamado gasificador. El proceso transforma el carbón en una mezcla gaseosa que contiene hidrógeno y CO2. Para recolectar el carbono, los gases se mueven a un silo presurizado donde el CO2 se encuentra con un solvente líquido. En lugar de una reacción química, como en el lavado con aminas, el disolvente absorbe físicamente el CO2 a alta presión, algo así como carbonatar una bebida. Y así como una botella de refresco destapada eventualmente se vuelve plana, el CO2 puede liberarse al disminuir la presión, lo que ocurre en un silo contiguo. Ahí es donde se recoge el CO2.

En Kemper, se espera que el método de precombustión capture alrededor del 65 por ciento de las emisiones de CO2 de la planta. “La huella ambiental es aproximadamente la misma que la de una planta de gas natural”, dice el ingeniero Randall Rush, quien dirige el grupo de tecnología de gasificación en Southern Company.

Aunque Kemper será mucho más limpia que otras plantas alimentadas con carbón, el objetivo principal de Southern Company no es exhibir la CAC. En cambio, se trata de demostrar un gasificador patentado y novedoso. De hecho, el apoyo federal que Kemper recibió, en forma de una subvención de $270 millones del Departamento de Energía, no fue parte de los más de $3 mil millones que el departamento gastó para apoyar a CCS; provino de un fondo federal de $2 mil millones para demostrar la tecnología del carbón que reduce la contaminación por nitrógeno, mercurio y azufre. El gasificador de Kemper hace un uso eficiente del lignito, un carbón de baja calidad. El carbón joven y húmedo contiene menos energía y es más sucio de quemar en comparación con el carbón de mayor calidad. También es abundante: Kemper se encuentra cerca de una reserva explotable de más de 3.500 millones de toneladas métricas de lignito.

Aunque Kemper está cerca de su debut, el proyecto no entusiasma a los expertos en CCS. "Kemper es un muy mal ejemplo", dice el ingeniero químico Stanley Santos, que trabaja en el grupo de investigación y desarrollo de gases de efecto invernadero de la Agencia Internacional de Energía. El enorme exceso presupuestario de Kemper, los retrasos y un plan para capturar menos carbono que otros proyectos propuestos lo convierten en un mal ejemplo de cómo abordar la CAC, afirma. Y la Compañía del Sur parece estar de acuerdo con Santos. En una audiencia pública en febrero sobre las reglas propuestas por la EPA para reducir la contaminación de carbono de las plantas de energía existentes, el director ambiental de la compañía de energía testificó que Kemper no debería usarse como modelo para CAC porque la tecnología puede no ser adecuada para todas las plantas alimentadas con carbón.

Como modelo para otros proyectos de CAC, los problemas no terminan con la tecnología de precombustión de Kemper. Sus planes de almacenamiento tampoco ofrecen mucho ejemplo. Lo mismo se aplica a Boundary Dam. Lo ideal sería comprimir el carbono capturado, aspirarlo por un oleoducto y enviarlo a un pozo de inyección. Allí, sería empujado a cientos de metros bajo tierra, debajo de una capa de roca impermeable donde el gas podría ser secuestrado indefinidamente.

Tanto Kemper como Boundary Dam planean adoptar un enfoque diferente: el CO2 capturado se venderá a compañías petroleras. Estas empresas utilizarán el gas para eliminar el exceso de petróleo de un campo, extendiendo la vida productiva de un pozo al expulsar gotas adicionales de petróleo en un proceso llamado recuperación mejorada de petróleo. Aunque vender CO2 puede ayudar a compensar los costos de la CAC, puede que no sea una solución a largo plazo. Las compañías petroleras tienden a reciclar su CO2, enviándolo a los pozos petroleros una y otra vez. Esta reutilización podría limitar la cantidad de CO2 capturado que compran.

El CO2 capturado en el proyecto de FutureGen se almacenará en un acuífero salino a gran profundidad. Las simulaciones de inyecciones de gas, que se muestran aquí en intervalos de cinco y 70 años, revelan el movimiento previsto de la columna de CO2 a medida que se expande a través de los poros y grietas que impregnan el acuífero.

Crédito: Alianza industrial FutureGen

Si bien esas preocupaciones son reales, el almacenamiento de carbono ha avanzado hasta un punto en el que puede evitar esos problemas, dice la científica terrestre Sally Benson de la Universidad de Stanford, que ha estado trabajando en el almacenamiento geológico de carbono desde la década de 1990. "Básicamente, hemos aprendido mucho que nos permitirá seleccionar sitios para mantener el CO2 de manera esencialmente permanente", dice.

Actualmente se están realizando inyecciones experimentales de CO2 en diversos lugares para ayudar a los científicos a observar y predecir cómo se comporta el gas bajo tierra e interactúa con la roca circundante. En primer lugar, los investigadores elaboran mapas detallados de formaciones geológicas en las profundidades del subsuelo y pronostican a largo plazo cómo se moverá el CO2 inyectado dentro de las capas subterráneas a lo largo del tiempo. La mayoría de las pruebas de inyección y modelos de laboratorio se han centrado en acuíferos salinos, reservas de agua salada, en capas de roca sedimentaria como la arenisca. Pero algunos investigadores están estudiando el CO2 inyectado en capas porosas de basalto, una roca volcánica. El basalto tiene una química única que le permite reaccionar con el CO2, formando minerales de carbonato sólidos que atrapan carbono indefinidamente.

Una vez que el CO2 se inyecta a través de pozos de gran profundidad, el gas empuja hacia la capa de roca, donde puede expandirse a través de pequeños poros y grietas. Los ingenieros intentan encontrar sitios de inyección que estén lejos de fallas geológicas y muy por debajo de la profundidad de los acuíferos explotados para obtener agua potable. También buscan áreas que tengan una capa de roca sólida sobre el acuífero que pueda actuar como una capa natural para evitar que el CO2 vuelva a burbujear. A medida que la columna de CO2 se mueve a través de una capa de roca, los científicos pueden recopilar datos y actualizar continuamente sus modelos para refinar las predicciones, dice Benson.

Hasta ahora, el almacenamiento de CO2 en Estados Unidos se ha probado sólo de forma experimental. En marzo, la EPA emitió su primer borrador de permiso para el tipo de pozo necesario para el almacenamiento de CO2 a largo plazo. El permiso llamado clase VI fue para FutureGen, el grupo que planea el proyecto CAC en Illinois cuya inauguración está prevista para 2017. El plan consiste en almacenar el carbono en un acuífero salino a 48 kilómetros de la central y a más de 1.200 metros bajo tierra. . FutureGen trabajó estrechamente con la EPA para diseñar planes cuidadosos para inyectar, sellar y monitorear los 1,1 millones de toneladas métricas de CO2 que planea secuestrar cada año. "Nuestro objetivo es demostrar que existen tecnologías disponibles en el mercado", dice el geólogo principal de FutureGen, Tyler Gilmore, quien espera que el proyecto sea un modelo para la CAC.

Como tantos proyectos de CAC anteriores, el esfuerzo de 1.650 millones de dólares de FutureGen ha tenido un buen comienzo. La FutureGen Industrial Alliance, una organización sin fines de lucro formada por empresas mineras y carboníferas, ha trabajado para evitar retrasos y gestionar los costos, firmando contratos laborales y completando planes de construcción detallados. Humphreys, el director ejecutivo, está seguro de que el trabajo vale la pena. Mientras las centrales eléctricas quemen combustibles fósiles, la contaminación por carbono seguirá siendo un problema, afirma. "Estoy extremadamente seguro de que la tecnología es absolutamente esencial".

CCS ya ha avanzado mucho. Ahora, dice Humphreys, sólo falta cruzar la línea de meta.

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Una versión de este artículo aparece en la edición del 6 de septiembre de 2014 de Science News.

JJ Dooley y col. Comparación de las redes de oleoductos existentes con la escala potencial de las futuras redes de oleoductos de CO2 en EE. UU. Procedimiento energético. vol. 1 de febrero de 2009, pág. 1595. doi: 10.1016/j.egypro.2009.01.209.

GT Rochelle. Depuración de aminas para captura de CO2. Ciencia. vol. 325, 25 de septiembre de 2009, pág. 1652. doi: 10.1126/ciencia.1176731.

JD Figueroa et al. Avances en la tecnología de captura de CO2: Programa de secuestro de carbono del Departamento de Energía de EE. UU. Revista internacional de control de gases de efecto invernadero. vol. 2, enero de 2008, p.9. doi: 10.1016/S1750-5836(07)00094-1.

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