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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 carbono , eliminándolo así de la atmósfera . [1] En teoría, BECCS puede ser una " tecnología de emisiones negativas " (NET), [2] aunque su implementación a la escala considerada por muchos gobiernos e industrias puede "plantear también importantes desafíos de viabilidad económica, tecnológica y social; amenazar la seguridad alimentaria y los derechos humanos; y corren el riesgo de traspasar múltiples fronteras planetarias, con consecuencias potencialmente irreversibles". [3] El carbono de la biomasa proviene del gas de efecto invernadero dióxido de carbono (CO 2 ), que la biomasa extrae de la atmósfera cuando crece. La energía ("bioenergía") se extrae en formas útiles (electricidad, calor, biocombustibles , etc.) a medida que la biomasa se utiliza mediante combustión, fermentación, pirólisis u otros métodos de conversión.
Parte del carbono de la biomasa se convierte en CO 2 o biocarbón , que luego puede almacenarse mediante secuestro geológico o aplicación al suelo, respectivamente, lo que permite la eliminación de dióxido de carbono (CDR). [2]
Se estimó que el rango potencial de emisiones negativas de BECCS sería de cero a 22 giga toneladas por año. [4] En 2019 [actualizar], 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
El principal atractivo de BECCS reside en su capacidad de generar emisiones negativas de CO 2 . La captura de dióxido de carbono procedente de fuentes de bioenergía elimina eficazmente el CO 2 de la atmósfera. [8] [9]
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 libera CO 2 a la atmósfera. La tecnología de captura y almacenamiento de carbono (CAC) sirve para interceptar la liberación de CO 2 a la atmósfera y redirigirla a lugares de almacenamiento geológico, [10] [11] o al hormigón. [12] [13] Por lo tanto, el proceso da como resultado una emisión neta cero de CO 2 , aunque esto puede verse alterado positiva o negativamente dependiendo de las emisiones de carbono asociadas con el crecimiento, el transporte y el procesamiento de la biomasa, ver más abajo en consideraciones ambientales. [14] El CO 2 procedente de la biomasa no sólo se libera en las centrales eléctricas alimentadas con biomasa, sino también durante la producción de pulpa utilizada para fabricar 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 [15] y en la fabricación de cemento. [dieciséis]
Las tecnologías BECCS atrapan dióxido de carbono en formaciones geológicas de forma semipermanente, mientras que un árbol almacena su carbono sólo durante su vida. En 2005 se estimó que es probable que más del 99% del dióxido de carbono almacenado mediante secuestro geológico permanezca en el lugar durante más de 1.000 años. [17] En 2005, el IPCC estimó que la tecnología BECCS proporcionaría una "mejor permanencia" al almacenar CO 2 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 ante el aumento de las temperaturas. [18] [17]
Los procesos industriales han liberado demasiado CO 2 para ser absorbido por sumideros convencionales como los árboles y el suelo para alcanzar objetivos de bajas emisiones. [19] Además de las emisiones acumuladas actualmente, habrá importantes emisiones adicionales durante este siglo, incluso en los escenarios más ambiciosos de bajas emisiones. Por lo tanto, se ha sugerido a BECCS como una tecnología para revertir la tendencia de las emisiones y crear un sistema global de emisiones netas negativas. [1] [20] [19] [21] [22] Esto implica que las emisiones no sólo serían nulas, sino negativas, de modo que no sólo se reducirían las emisiones, sino la cantidad absoluta de CO 2 en la atmósfera.
Las estimaciones de costos para BECCS oscilan entre $60 y $250 por tonelada de CO 2 . [23]
Se estimó que los métodos electrogeoquímicos que combinan la electrólisis de agua salina con la meteorización mineral impulsada por electricidad derivada de combustibles no fósiles podrían, en promedio, aumentar tanto la generación de energía como la eliminación de CO 2 en más de 50 veces en relación con BECCS, a un nivel equivalente o incluso menor. costo, pero se necesita más investigación para desarrollar tales métodos. [24]
La principal tecnología para la captura de CO 2 a partir de fuentes bióticas generalmente emplea la misma tecnología que la captura de dióxido de carbono a partir de fuentes convencionales de combustibles fósiles. [25] En términos generales, existen tres tipos diferentes de tecnologías: postcombustión , precombustión y oxicombustión . [26]
La oxicombustión ha sido un proceso común en las industrias del vidrio, el cemento y el acero. También es un enfoque tecnológico prometedor para la CAC. En la oxicombustión, la principal diferencia con respecto a la quema de aire convencional es que el combustible se quema en una mezcla de O 2 y gases de combustión reciclados. El O 2 es producido por una unidad de separación de aire (ASU), que elimina el N 2 atmosférico de la corriente de oxidante . Al eliminar el N 2 aguas arriba del proceso, se produce un gas de combustión con una alta concentración de CO 2 y vapor de agua, lo que elimina la necesidad de una planta de captura postcombustión. El vapor de agua se puede eliminar mediante condensación, dejando una corriente de producto de CO 2 de pureza relativamente alta que, después de la posterior purificación y deshidratación, se puede bombear a un sitio de almacenamiento geológico. [27]
Los desafíos clave de la implementación de BECCS mediante oxicombustión están asociados con el proceso de combustión. Para la biomasa con alto contenido volátil, la temperatura del molino debe mantenerse a baja temperatura para reducir el riesgo de incendio y explosión. Además, la temperatura de la llama es menor. Por lo tanto, es necesario aumentar la concentración de oxígeno hasta un 27-30%. [27]
La "captura de carbono previa a la combustión" describe procesos que capturan CO 2 antes de generar energía. Esto suele lograrse 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 gas de síntesis. Luego, los productos pasarán por un reactor de cambio de agua y gas para formar CO 2 y H 2 . El CO 2 que se produzca luego será capturado y el H 2 , que es una fuente limpia, se utilizará para la combustión y generar energía. [28] 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 del oxígeno es sólo ligeramente mejor que la gasificación del aire. Ambos tienen una eficiencia térmica de aproximadamente el 70% utilizando carbón como fuente de combustible. [27] 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 el K y el Na que podrían acumularse en el sistema y finalmente provocar la degradación de las piezas mecánicas. [27] Por lo tanto, es necesario seguir desarrollando las técnicas de separación de esos oligoelementos. Y además, después del proceso de gasificación, el CO 2 ocupa hasta un 13% - 15,3% en masa en la corriente de gas de síntesis para las fuentes de biomasa, mientras que es sólo un 1,7% - 4,4% para el carbón. [27] Esto limita la conversión de CO en CO 2 en el cambio de gas de agua, y la tasa de producción de H 2 disminuirá en consecuencia. Sin embargo, la eficiencia térmica de la captura previa a la combustión utilizando biomasa se asemeja a la del carbón, que oscila entre el 62 % y el 100 %. Algunas investigaciones encontraron que el uso de un sistema seco en lugar de una alimentación de combustible en suspensión de biomasa/agua era más eficiente desde el punto de vista térmico y práctico para la biomasa. [27]
Además de las tecnologías de precombustión y oxicombustión, la poscombustión es una tecnología prometedora que puede utilizarse para extraer las emisiones de CO 2 de los recursos de combustible de biomasa. Durante el proceso, el CO 2 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 al proceso de separación. Debido a que tiene la capacidad de adaptarse a algunas centrales eléctricas existentes, como calderas de vapor u otras centrales eléctricas de nueva construcción, la tecnología de poscombustión se considera una mejor opción que la tecnología de precombustión. Según las hojas informativas CONSUMO DE BIOENERGÍA EN EE. UU. CON CAPTURA Y ALMACENAMIENTO DE CARBONO publicadas en marzo de 2018, se espera que la eficiencia de la tecnología de poscombustión sea del 95%, mientras que la precombustión y la oxicombustión capturan CO 2 a una tasa eficiente de 85% y 87,5% respectivamente. [29]
El desarrollo de las tecnologías actuales de poscombustión no se ha completado en su totalidad debido a varios problemas. Una de las mayores preocupaciones al utilizar esta tecnología para capturar dióxido de carbono es el consumo parásito de energía. [30] Si la capacidad de la unidad está diseñada para ser pequeña, la pérdida de calor hacia el entorno es lo suficientemente grande como para causar demasiadas consecuencias negativas. Otro desafío de la captura de carbono poscombustión es cómo lidiar con 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 solventes específicos y cómo manejar el proceso de solventes debe diseñarse y operarse cuidadosamente.
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. [31] Los proyectos actuales de BECCS capturan CO 2 de plantas de biorrefinería de etanol y centros de reciclaje de residuos sólidos municipales (RSU).
Es necesario enfrentar una variedad de desafíos para garantizar que la captura de carbono basada en biomasa sea factible y neutra en carbono. Las reservas de biomasa requieren disponibilidad de insumos de agua y fertilizantes, que a su vez existen en un nexo de desafíos ambientales en términos de interrupción de recursos, conflictos y escorrentía de fertilizantes. Un segundo desafío importante es el logístico: los voluminosos productos de biomasa requieren transporte a características geográficas que permitan su secuestro. [32]
Hasta 2017, había 23 proyectos BECCS en todo el mundo, la mayoría en América del Norte y Europa. [27] [33] Hoy, [ ¿cuándo? ] solo hay 6 proyectos en operación, capturando CO 2 de plantas de biorrefinería de etanol y centros de reciclaje de RSU.
La captura y almacenamiento de carbono industrial de Illinois (IL-CCS) es uno de los hitos, siendo el primer proyecto BECCS a escala industrial a principios del siglo XXI. Ubicada en Decatur, Illinois , EE. UU., IL-CCS captura CO 2 de la planta de etanol Archer Daniels Midland . El CO 2 capturado se inyecta luego bajo la profunda formación salina de Mount Simon Sandstone. IL-CCS consta de 2 fases. El proyecto piloto se implementó del 11/2011 al 11/2014 con un costo de capital de alrededor de 84 millones de dólares estadounidenses. Durante el período de tres años, capturó y secuestró con éxito 1 millón de toneladas de CO 2 de la planta de ADM al acuífero. Durante este período no se encontró ninguna fuga de CO 2 desde la zona de inyección. El proyecto aún está siendo monitoreado para referencia futura. La fase 2 ha estado en funcionamiento desde noviembre de 2017 y también utiliza la misma zona de inyección en Mount Simon Sandstone con un costo de capital de aproximadamente 208 millones de dólares, incluidos 141 millones de dólares de fondos del Departamento de Energía . La fase 2 tiene una capacidad de captura aproximadamente 3 veces mayor que la del proyecto piloto. Anualmente, IL-CCS puede capturar más de 1 millón de toneladas de CO 2 . A partir de 2019, con la mayor capacidad de captura, IL-CCS era el proyecto BECCS más grande del mundo. [34] [35] [36]
Además del proyecto IL-CCS, hay alrededor de tres proyectos más que capturan CO 2 de la planta de etanol a escalas más pequeñas. Por ejemplo, Arkalon en Kansas, EE.UU., puede capturar entre 0,18 y 0,29 MtCO 2 /año, OCAP en los Países Bajos puede capturar entre 0,1 y 0,3 MtCO 2 /año, y Husky Energy en Canadá puede capturar entre 0,09 y 0,1 MtCO 2 /año. [ cita necesaria ]
Actualmente, [ ¿cuándo? ] Existen 2 modelos en Europa que están diseñados para capturar CO 2 procedente del procesamiento de Residuos Sólidos Urbanos. La planta de Klemetsrud en Oslo, Noruega, utiliza residuos sólidos municipales biogénicos para generar 175 GWh y capturar 315 kt de CO 2 cada año. Utiliza tecnología de absorción con disolvente Aker Solution Advanced Amine como unidad de captura de CO 2 . De manera similar, el ARV Duiven en Holanda utiliza la misma tecnología, pero captura menos CO 2 que el modelo anterior. ARV Duiven genera alrededor de 126 GWh y sólo captura 50 000 toneladas de CO 2 cada año. [ cita necesaria ]
La evaluación tecnoeconómica más grande y detallada de BECCS fue realizada por cmcl Innovations y el grupo TESBiC [37] (Estudio tecnoeconómico de biomasa para CCS) en 2012. Este proyecto recomendó el conjunto más prometedor de tecnologías de generación de energía alimentadas por biomasa. junto con la captura y almacenamiento de carbono (CAC). Los resultados del proyecto conducen a una “hoja de ruta de CCS de biomasa” detallada para el Reino Unido.
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 la CCS es que puede fortalecer la dependencia de los combustibles fósiles agotables y de la minería del carbón ambientalmente invasiva. Este no es el caso de BECCS, ya que depende de biomasa renovable. Sin embargo, hay otras consideraciones que involucran a BECCS y estas preocupaciones están relacionadas con el posible aumento del uso de biocombustibles . La producción de biomasa está sujeta a una serie de limitaciones de sostenibilidad, tales como: escasez de tierra cultivable y agua dulce, pérdida de biodiversidad , competencia con la producción de alimentos, deforestación y escasez de fósforo. [38] Es importante asegurarse de que la biomasa se utilice de manera que se maximicen los beneficios tanto energéticos como climáticos. Ha habido críticas a algunos escenarios de implementación de BECCS sugeridos, donde habría una gran dependencia de un mayor aporte de biomasa. [39]
Se necesitarían grandes extensiones de terreno para operar BECCS a escala industrial. Para eliminar 10 mil millones de toneladas de CO 2 , se necesitarían más de 300 millones de hectáreas de superficie terrestre (más grande que la India). [23] Como resultado, BECCS corre 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 hay necesidad de ampliar el uso de biocombustibles en aplicaciones energéticas o industriales para permitir el despliegue de BECCS. Actualmente ya existen emisiones considerables procedentes de fuentes puntuales de CO 2 derivadas de la biomasa , que podrían utilizarse para BECCS. Sin embargo, en posibles escenarios futuros de mejora del sistema de bioenergía, esta puede ser una consideración importante.
La ampliación de BECCS requeriría un suministro sostenible de biomasa, uno que no ponga en peligro la tierra, el agua o la seguridad alimentaria. El uso de cultivos bioenergéticos como materia prima no sólo causará problemas de sostenibilidad sino que también requerirá el uso de más fertilizantes, lo que provocará la contaminación del suelo y del agua . [ cita necesaria ] Además, el rendimiento de los cultivos generalmente está sujeto a las condiciones climáticas, es decir, el suministro de esta materia prima biológica puede ser difícil de controlar. El sector de la bioenergía también debe expandirse para satisfacer el nivel de oferta de biomasa. La expansión de la bioenergía requeriría un desarrollo técnico y económico acorde.
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 CO 2 capturado . Si las fuentes de biomasa no están cerca de la unidad de combustión, el transporte de biomasa emite CO 2 compensando la cantidad de CO 2 capturada por BECCS. BECCS también enfrenta preocupaciones técnicas sobre la eficiencia de la quema 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%. [40] A modo de comparación, las centrales alimentadas con carbón tienen una eficiencia de alrededor del 37%. [41]
BECCS también enfrenta la pregunta de si el proceso es realmente positivo desde el punto de vista energético. La baja eficiencia de conversión de energía , el suministro de biomasa que consume mucha energía, combinado con la energía necesaria para alimentar la unidad de captura y almacenamiento de CO 2, imponen una penalización energética al sistema. Esto podría conducir a una baja eficiencia de generación de energía. [42]
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 CO 2 de 2,8 Gt a través de BECCS. La utilización de residuos para la captura de carbono proporcionará beneficios sociales y económicos a las comunidades rurales. Utilizar residuos de cultivos y bosques es una forma de evitar los desafíos ecológicos y sociales de BECCS. [43]
Entre las estrategias de bioenergía forestal que se promueven, 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 a su asequibilidad, dado que son subproductos del funcionamiento forestal convencional. [44] Además, a diferencia de la naturaleza esporádica de la energía eólica y solar, la gasificación de residuos forestales para generar 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 a la hora de facilitar la adopción y ampliación de estrategias de bioenergía forestal en respuesta a los desafíos de la seguridad energética y el cambio climático. [44] Sin embargo, los costos económicos de la utilización de residuos forestales para la producción de bioelectricidad y su posible impacto financiero en las operaciones forestales convencionales están mal representados en los estudios de 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. [44]
A pesar de las crecientes directivas 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 continúan impidiendo la transición a esta vía de energía renovable, particularmente 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, operación y mantenimiento de la planta de gasificación basada en residuos de cosecha y sus riesgos asociados pueden impedir que el inversor potencial invierta en un proyecto de bioelectricidad basado en bosques. [44]
Los residuos sólidos municipales (RSU) son una de las fuentes de biomasa recientemente desarrolladas. [45] Dos plantas actuales de BECCS están utilizando RSU como materia prima. Los residuos recogidos de la vida diaria se reciclan mediante un proceso de tratamiento de residuos por incineración . Los residuos pasan por un tratamiento térmico a alta temperatura y el calor generado al quemar la parte orgánica de los residuos se utiliza para generar electricidad. El CO 2 emitido en este proceso se captura mediante absorción mediante MEA . [ se necesita aclaración ] Por cada kg de residuos quemados, se consiguen 0,7 kg de emisiones negativas de CO 2 . La utilización de residuos sólidos también tiene otros beneficios ambientales. [43]
En 2017, había aproximadamente 250 plantas de coquetería en el mundo, incluidas 40 en Estados Unidos. [46] La combustión conjunta de biomasa con carbón tiene una eficiencia cercana a la de la combustión de carbón. [41] En lugar de co-combustión, puede ser preferible la conversión total de carbón a biomasa de una o más unidades generadoras en una planta. [47]
Según el acuerdo del 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) o para proyectos de Implementación Conjunta (JI). [48] A partir de 2006, había habido un apoyo creciente para incluir la CCS y las BECCS fósiles en el protocolo y el Acuerdo de París. También se han realizado estudios contables sobre cómo podría implementarse esto, incluido BECCS. [49]
Existieron políticas para incentivar el uso de bioenergía, como la Directiva sobre energías renovables (RED) y la Directiva sobre calidad de combustible (FQD), que exigen que el 20% del consumo total de energía se base en biomasa, biolíquidos y biogás para 2020. [50]
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. [51]
En 2018, el Comité sobre Cambio Climático recomendó que los biocombustibles de aviación deberían proporcionar hasta el 10% de la demanda total de combustible de aviación para 2050, y que todos los biocombustibles de aviación deberían producirse con CAC tan pronto como la tecnología esté disponible. [52] : 159
En 2018, el Congreso de EE. UU. aumentó y amplió el crédito fiscal de la sección 45Q para el secuestro de óxidos de carbono, una de las principales prioridades de los partidarios de la captura y el secuestro de carbono (CAC) durante varios años. Aumentó el crédito fiscal de 25,70 a 50 dólares por tonelada de CO 2 para el almacenamiento geológico seguro y el crédito fiscal de 15,30 a 35 dólares por tonelada de CO 2 utilizado en la recuperación mejorada de petróleo. [53]
Estudios limitados han investigado las percepciones públicas de BECCS. [ cita necesaria ] 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 medidas 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 indicaron que apoyarían ensayos a pequeña escala de BECCS, mientras que sólo 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 mucho más preferido que los métodos de gestión de la radiación solar . [54]
Un estudio de 2019 en Oxfordshire, Reino Unido, encontró que la percepción pública de BECCS estaba significativamente influenciada por las políticas utilizadas para apoyar la práctica. Los participantes en general aprobaron los impuestos y las normas, pero tenían sentimientos encontrados acerca de que el gobierno proporcionara apoyo financiero. [55]
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