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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 (CO 2 ) que se produce.
Las emisiones de gases de efecto invernadero de la bioenergía pueden ser bajas porque cuando se cosecha vegetación para bioenergía, puede crecer nueva vegetación que absorberá CO 2 del aire a través de la fotosíntesis . [2] Después de que se cosecha la biomasa, se extrae energía ("bioenergía") en formas útiles (electricidad, calor, biocombustibles , etc.) a medida que la biomasa se utiliza a través de combustión, fermentación, pirólisis u otros métodos de conversión. El uso de bioenergía libera CO 2 . En BECCS, parte del CO 2 se captura antes de que ingrese a la atmósfera y se almacena bajo tierra utilizando tecnología de captura y almacenamiento de carbono . [3] Bajo ciertas condiciones, BECCS puede eliminar dióxido de carbono de la atmósfera. [3]
Se estimó que el rango potencial de emisiones negativas de BECCS era de cero a 22 gigatoneladas por año. [4] En 2019 , cinco instalaciones en todo el mundo utilizaban activamente tecnologías BECCS y capturaban aproximadamente 1,5 millones de toneladas por año de CO 2 . [ 5] El amplio despliegue de BECCS está limitado por el costo y la disponibilidad de biomasa. [6] [7] : 10 Dado que la producción de biomasa requiere un uso intensivo de la tierra, el despliegue de BECCS puede plantear riesgos importantes para la producción de alimentos, los derechos humanos y la biodiversidad. [8][actualizar]
El principal atractivo de la BECCS reside en su capacidad de generar emisiones negativas de CO2 . La captura de dióxido de carbono de fuentes de bioenergía elimina eficazmente el CO2 de la atmósfera. [9] [10]
La bioenergía se deriva de la biomasa, que es una fuente de energía renovable y sirve como sumidero de carbono durante su crecimiento. Durante los procesos industriales, la biomasa quemada o procesada vuelve a liberar el CO2 a la atmósfera. La tecnología de captura y almacenamiento de carbono (CCS) sirve para interceptar la liberación de CO2 a la atmósfera y redirigirlo a lugares de almacenamiento geológico, [11] [12] o al hormigón. [13] [14] El proceso da como resultado una emisión neta cero de CO2 , aunque esto puede alterarse positiva o negativamente dependiendo de las emisiones de carbono asociadas con el crecimiento, el transporte y el procesamiento de la biomasa, consulte más adelante en consideraciones ambientales. [15] El CO2 con un origen de biomasa no solo se libera de las plantas de energía alimentadas con biomasa, sino también durante la producción de pulpa utilizada para hacer papel y en la producción de biocombustibles como el biogás y el bioetanol . La tecnología BECCS también se puede emplear en procesos industriales como estos [16] y en la fabricación de cemento. [17]
Las tecnologías BECCS atrapan el dióxido de carbono en formaciones geológicas de manera semipermanente, mientras que un árbol almacena su carbono sólo durante su vida. En 2005 se estimó que más del 99% del dióxido de carbono almacenado mediante secuestro geológico probablemente permanecerá en el mismo lugar durante más de 1000 años. [18] En 2005, el IPCC estimó que la tecnología BECCS proporcionaría una "mejor permanencia" al almacenar CO2 en formaciones geológicas subterráneas, en relación 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 al aumentar las temperaturas. [19] [18]
Los procesos industriales han liberado demasiado CO2 para que sea absorbido por sumideros convencionales como los árboles y el suelo para alcanzar los objetivos de bajas emisiones. [20] Además de las emisiones acumuladas actualmente, habrá emisiones adicionales significativas durante este siglo, incluso en los escenarios de bajas emisiones más ambiciosos. Por lo tanto, se ha sugerido BECCS como una tecnología para revertir la tendencia de emisiones y crear un sistema global de emisiones netas negativas. [21] [22] [20] [23] [24] Esto implica que las emisiones no solo serían cero, sino negativas, de modo que no solo se reducirían las emisiones, sino la cantidad absoluta de CO2 en la atmósfera .
Las estimaciones de costos para BECCS varían entre 60 y 250 dólares por tonelada de CO 2 . [25]
Se estimó que los métodos electrogeoquímicos de combinación de electrólisis de agua salina con meteorización mineral alimentada por electricidad derivada de combustibles no 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 tales métodos. [26]
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 de combustibles fósiles convencionales. [27] En términos generales, existen tres tipos diferentes de tecnologías: postcombustión , precombustión y combustión de oxicombustible . [28]
La combustión de oxicombustible 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. En la combustión de oxicombustible, la principal diferencia con la combustión con aire convencional es que el combustible se quema en una mezcla de O2 y gas de combustión reciclado. El O2 se produce mediante una unidad de separación de aire (ASU), que elimina el N2 atmosférico de la corriente del oxidante . Al eliminar el N2 antes 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. [29]
Los principales desafíos de la implementación de BECCS mediante oxicombustión están asociados con el proceso de combustión. En el caso de 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 que la concentración de oxígeno debe aumentarse hasta un 27-30 %. [29]
La "captura de carbono previa a la combustión" describe los procesos que capturan el CO2 antes de generar energía. Esto suele lograrse en cinco etapas operativas: generación de oxígeno, generación de gas de síntesis, separación del CO2, compresión del CO2 y generación de energía. El combustible primero pasa por un proceso de gasificación al reaccionar con el oxígeno para formar una corriente de CO y H2 , que es el gas de síntesis. Luego, los productos pasarán por un reactor de desplazamiento de agua-gas para formar CO2 y H2 . Luego, el CO2 que se produce se capturará y el H2 , que es una fuente limpia, se utilizará para la combustión para generar energía. [30] El proceso de gasificación combinado con la producción de gas de síntesis se denomina ciclo combinado de gasificación integrada (IGCC). Una unidad de separación de aire (ASU) puede servir como fuente de oxígeno, pero algunas investigaciones han descubierto que con el mismo gas de combustión, la gasificación de oxígeno es solo ligeramente mejor que la gasificación de aire. Ambos tienen una eficiencia térmica de aproximadamente el 70% utilizando carbón como fuente de combustible. [29] 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 de precombustión. Sin embargo, hay otros elementos traza en la combustión de biomasa, como K y Na, que podrían acumularse en el sistema y finalmente causar la degradación de las partes mecánicas. [29] Por lo tanto, se necesitan más desarrollos de las técnicas de separación para esos elementos traza. Y también, 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 del 1,7% - 4,4% para el carbón. [29] Esto limita la conversión de CO a CO2 en el cambio de gas de agua, y la tasa de producción de H2 disminuirá en consecuencia. Sin embargo, la eficiencia térmica de la captura de precombustión utilizando biomasa se asemeja a la del carbón, que es de alrededor del 62% - 100%. Algunas investigaciones encontraron que usar un sistema seco en lugar de una alimentación de combustible de biomasa/agua en suspensión era más eficiente térmicamente y práctico para la biomasa. [29]
Además de las tecnologías de precombustión y oxicombustión, la postcombustión es una tecnología prometedora que se puede utilizar para extraer 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 que tiene la capacidad de adaptarse a algunas plantas de energía 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 hojas informativas CONSUMO DE BIOENERGÍA CON CAPTURA Y ALMACENAMIENTO DE CARBONO en EE. UU. publicadas en marzo de 2018, se espera que la eficiencia de la tecnología de postcombustión sea del 95%, mientras que la precombustión y la oxicombustión capturan CO2 a una tasa eficiente del 85% y el 87,5% respectivamente. [31]
El desarrollo de las tecnologías actuales de postcombustión no se ha completado en su totalidad debido a varios problemas. Una de las principales preocupaciones al utilizar esta tecnología para capturar dióxido de carbono es el consumo de energía parasitaria. [32] Si la capacidad de la unidad está diseñada 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 consta de una gran cantidad de metales alcalinos, halógenos, elementos ácidos y metales de transición que podrían tener impactos negativos en la eficiencia del proceso. Por lo tanto, la elección de disolventes específicos y cómo gestionar el proceso de disolventes debe diseñarse y operarse con cuidado.
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. [33] Los proyectos BECCS actuales capturan CO2 de las plantas de biorrefinería de etanol y del centro de reciclaje de residuos sólidos municipales (RSU).
Para garantizar que la captura de carbono a partir de biomasa sea factible y neutral en carbono, es necesario hacer frente a diversos desafíos. Las reservas de biomasa requieren la disponibilidad de agua y fertilizantes, que a su vez se encuentran en un nexo de conflicto con diversos desafíos ambientales en términos de alteración de los recursos, conflictos y escorrentía de fertilizantes. Un segundo desafío importante es logístico: los productos voluminosos de biomasa requieren transporte a características geográficas que permitan su captura. [34]
En 2017, se habían llevado a cabo 23 proyectos BECCS en todo el mundo, la mayoría en América del Norte y Europa. [29] [35]
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 Mount Simon, una formación salina profunda. El proyecto IL-CCS se divide en dos fases. La fase piloto, que se desarrolló desde noviembre de 2011 hasta noviembre de 2014, tuvo un costo de capital de aproximadamente 84 millones de dólares. Durante este período, el proyecto capturó y secuestró con éxito 1 millón de toneladas de CO2 sin detectar ninguna fuga de 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, incluidos 141 millones de dólares en fondos del Departamento de Energía. Esta fase tiene una capacidad de captura tres veces más grande que el proyecto piloto, lo que permite que IL-CC capturen más de 1 millón de toneladas de CO2 anualmente .
Además de la IL-CCS, hay otros proyectos que capturan CO2 de plantas de etanol a menor escala. Algunos ejemplos son:
Aunque algunas plantas de incineración de residuos en todo el mundo cuentan con unidades de captura de carbono, a fecha de 2021, ninguna almacena el CO2 capturado , sino que lo reutiliza de diversas formas. Por ejemplo, el CO2 capturado por una planta en Duiven , Países Bajos, se utiliza para mejorar el rendimiento de los invernaderos. Otra planta en Saga , Japón, utiliza su CO2 para el cultivo de algas . [39]
A partir de 2021, la Unión Europea financió la transformación de una planta de cogeneración de biomasa existente de la empresa energética de Estocolmo, Stockholm Exergi. [40] El CO2 se captura mezclando carbonato de potasio caliente con los gases de combustión emitidos por la planta de energía, lo que marca la primera vez que esta tecnología se aplica a gran escala. El CO2 capturado se licúa para un transporte más eficiente y se almacena a unos 800 metros de profundidad en acuíferos geológicos submarinos y en campos de petróleo y gas agotados. En 2024, se anunció que Microsoft compró créditos de eliminación de dióxido de carbono para la eliminación permanente de 3,3 millones de toneladas métricas de CO2 de Stockholm Exergi. [41]
En 2024, el gobierno británico aprobó las inversiones para instalar la captura de carbono en dos de las cuatro unidades de biomasa de la planta de energía de Biomasa Drax , que tiene el potencial de capturar cerca de ocho millones de toneladas de CO 2 anualmente.
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 es que puede fortalecer la dependencia de combustibles fósiles agotables y la minería de carbón ambientalmente invasiva. Este no es el caso de BECCS, ya que depende de biomasa renovable. Sin embargo, hay otras consideraciones que involucran BECCS y estas preocupaciones están relacionadas con el posible aumento del uso de biocombustibles . La producción de biomasa está sujeta a una serie de restricciones de sostenibilidad, como: escasez de tierra cultivable y agua dulce, pérdida de biodiversidad , competencia con la producción de alimentos y deforestación . [43] [ fuente obsoleta ] Es importante asegurarse de que la biomasa se utiliza de una manera que maximice los beneficios tanto energéticos como climáticos. Ha habido críticas a algunos escenarios de implementación de BECCS sugeridos, donde habría una dependencia muy fuerte de un mayor aporte de biomasa. [44]
Se requerirían grandes áreas de tierra para operar BECC a escala industrial .
Estos sistemas pueden tener otros efectos secundarios negativos. Sin embargo, actualmente no hay necesidad de ampliar el uso de biocombustibles en aplicaciones energéticas o industriales para permitir la implementación de BECCS. Actualmente ya existen emisiones considerables de fuentes puntuales de CO2 derivado de biomasa , que podrían utilizarse para BECCS. Sin embargo, en posibles escenarios futuros de ampliación de los sistemas de bioenergía, esto puede ser una consideración importante. [ cita requerida ]
El Sexto Informe de Evaluación del IPCC dice: “El despliegue extensivo de la bioenergía con captura y almacenamiento de carbono (BECCS) y la forestación requerirían mayores cantidades de recursos de agua dulce que las utilizadas por la vegetación anterior, alterando el ciclo del agua a escalas regionales (nivel de confianza alto) con posibles consecuencias para los usos posteriores, la biodiversidad y el clima regional, dependiendo de la cobertura terrestre previa, las condiciones climáticas de fondo y la escala de despliegue (nivel de confianza alto)”. [45]
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 plantas 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 que compensa la cantidad de CO2 capturado por BECCS. BECCS también enfrenta preocupaciones técnicas sobre la eficiencia de la quema de biomasa. Si bien cada tipo de biomasa tiene un valor calorífico diferente, la biomasa en general es un combustible de baja calidad. La conversión térmica de la biomasa normalmente tiene una eficiencia del 20-27%. [46] A modo de comparación, las plantas de carbón tienen una eficiencia de aproximadamente el 37%. [47]
El BECCS también se enfrenta a la cuestión de si el proceso es realmente positivo desde el punto de vista energético. La baja eficiencia de conversión de energía , el suministro de biomasa con un alto consumo de energía, 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 de generación de energía. [48]
A nivel mundial, cada año se generan 14 Gt de residuos forestales y 4,4 Gt de residuos de la producción agrícola (principalmente cebada, trigo, maíz, caña de azúcar y arroz). Se trata de 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 la captura de carbono mediante BECCS. El uso de residuos para la captura de carbono proporcionará beneficios sociales y económicos a las comunidades rurales. El uso de desechos de cultivos y silvicultura es una forma de evitar los desafíos ecológicos y sociales de la captura de carbono mediante BECCS. [49]
Entre las estrategias de bioenergía forestal que se están promoviendo, la gasificación de residuos forestales para la producción de electricidad ha ganado fuerza política en muchos países en desarrollo debido a la abundancia de biomasa forestal y su asequibilidad, dado que son un subproducto del funcionamiento de la silvicultura convencional. [50] Además, a diferencia de la naturaleza esporádica de la energía eólica y solar, la gasificación de residuos forestales para la producción de electricidad puede ser ininterrumpida y modificarse para satisfacer los cambios en la demanda de energía. Las industrias forestales están bien posicionadas para desempeñar un papel destacado en la facilitación de la adopción y ampliación de las estrategias de bioenergía forestal en respuesta a los desafíos de la seguridad energética y el cambio climático. [50] Sin embargo, los costos económicos de la utilización de residuos forestales para la producción de bioelectricidad y su potencial impacto financiero en las operaciones forestales convencionales están poco representados en los estudios de bioenergía forestal. La exploración de estas oportunidades, en particular en los contextos de los países en desarrollo, puede verse reforzada por investigaciones que evalúen la viabilidad financiera de la producción conjunta de madera y bioelectricidad. [50]
A pesar de las crecientes directivas y mandatos de política 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 a esta vía de energía renovable, en particular 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 riesgos financieros. Los altos costos de capital, costos de operación y costos de mantenimiento de las plantas de gasificación basadas en residuos de cosecha y sus riesgos asociados pueden disuadir al potencial inversor de invertir en un proyecto de bioelectricidad basada en los bosques. [50]
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 alimentos y residuos verdes; otro 17% es papel y cartón. [51] Se ha estimado que la captura de carbono reduciría las emisiones de carbono asociadas con los incineradores 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 en gran medida a esto. [39]
En 2017, había aproximadamente 250 plantas de co-combustión en el mundo, incluidas 40 en los EE. UU. [52] La co-combustión de biomasa con carbón tiene una eficiencia cercana a la de la combustión de carbón. [47] En lugar de la co-combustión, puede ser preferible la conversión total de carbón a biomasa de una o más unidades generadoras en una planta. [53]
De acuerdo con el acuerdo del Protocolo de Kioto , los proyectos de captura y almacenamiento de carbono no eran aplicables como herramienta de reducción de emisiones para su uso en el Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL) o en proyectos de Implementación Conjunta (IC). [54] A partir de 2006, había habido un creciente apoyo para que la captura y almacenamiento de carbono fósil y la captura y almacenamiento de carbono mediante biocombustibles (BECCS) se incluyeran en el protocolo y en el Acuerdo de París. También se han realizado estudios contables sobre cómo se podría implementar esto, incluida la captura y almacenamiento de carbono mediante biocombustibles (BECCS). [55]
Existieron políticas para incentivar el uso de bioenergía, como la Directiva de Energía Renovable (RED) y la Directiva de Calidad del Combustible (FQD), que requieren que el 20% del consumo total de energía se base en biomasa, biolíquidos y biogás para 2020. [56]
Suecia
El gobierno sueco encargó a la Agencia Sueca de Energía que diseñara un sistema de apoyo sueco para BECCS que se implementaría en 2022. [57]
En 2018, el Comité sobre Cambio Climático recomendó que los biocombustibles de aviación deberían cubrir hasta el 10% de la demanda total de combustible de aviación para 2050, y que todos los biocombustibles de aviación deberían producirse con CCS tan pronto como la tecnología esté disponible. [58] : 159
En 2018, el Congreso de Estados Unidos aumentó y extendió el crédito fiscal de la sección 45Q para el secuestro de óxidos de carbono, una prioridad máxima de los partidarios de la captura y secuestro de carbono (CCS) durante varios años. Aumentó de 25,70 a 50 dólares el crédito fiscal por tonelada de CO2 para el almacenamiento geológico seguro y de 15,30 a 35 dólares el crédito fiscal por tonelada de CO2 utilizada en la recuperación mejorada de petróleo. [59]
Estudios limitados han investigado las percepciones públicas de BECCS. [ cita requerida ] De esos estudios, la mayoría se originan en países desarrollados del hemisferio norte y, por lo tanto, pueden no representar una visión mundial.
En un estudio de 2018 en el que participaron encuestados de un panel en línea del Reino Unido, Estados Unidos, Australia y Nueva Zelanda, los encuestados mostraron poco conocimiento previo de las tecnologías BECCS. Las mediciones de las percepciones de los encuestados sugieren que el público asocia BECCS con un equilibrio de atributos tanto positivos como negativos. En los cuatro países, el 45% de los encuestados indicó que apoyaría ensayos a pequeña escala de BECCS, mientras que solo el 21% se opuso. BECCS fue moderadamente preferido entre otros métodos de eliminación de dióxido de carbono como la captura directa de aire o la meteorización mejorada , y muy preferido sobre los métodos de gestión de la radiación solar . [60]
Un estudio de 2019 en Oxfordshire, Reino Unido, concluyó que la percepción pública de los BECCS estaba significativamente influenciada por las políticas utilizadas para respaldar la práctica. Los participantes en general aprobaban los impuestos y las normas, pero tenían sentimientos encontrados sobre el apoyo financiero del gobierno. [61]
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