El secuestro biológico de carbono es un proceso que ocurre naturalmente como parte del ciclo del carbono . Los humanos pueden mejorarlo mediante acciones deliberadas y el uso de tecnología. Dióxido de carbono ( CO 2) se captura naturalmente de la atmósfera mediante procesos biológicos, químicos y físicos. Estos procesos pueden acelerarse, por ejemplo, mediante cambios en el uso de la tierra y las prácticas agrícolas, lo que se denomina cultivo de carbono . También se han ideado procesos artificiales para producir efectos similares. Este enfoque se llama captura y almacenamiento de carbono . Implica el uso de tecnología para capturar y secuestrar (almacenar) CO 2que se produce a partir de actividades humanas bajo tierra o bajo el fondo del mar.
Las plantas, como los bosques y los lechos de algas marinas , absorben dióxido de carbono del aire a medida que crecen y lo unen formando biomasa. Sin embargo, estos depósitos biológicos pueden ser sumideros temporales de carbono , ya que no se puede garantizar el secuestro a largo plazo. Los incendios forestales , las enfermedades, las presiones económicas y las prioridades políticas cambiantes pueden liberar el carbono secuestrado nuevamente a la atmósfera. [4]
El dióxido de carbono eliminado de la atmósfera también puede almacenarse en la corteza terrestre inyectándolo bajo tierra o en forma de sales de carbonatos insolubles . Este último proceso se llama secuestro de minerales . Estos métodos se consideran no volátiles porque no sólo eliminan el dióxido de carbono de la atmósfera sino que también lo secuestran indefinidamente. Esto significa que el carbono queda "encerrado" durante miles o millones de años.
Para mejorar los procesos de secuestro de carbono en los océanos se han propuesto las siguientes tecnologías químicas o físicas: fertilización oceánica , surgencia artificial , almacenamiento de basalto, mineralización y sedimentos de aguas profundas, y adición de bases para neutralizar ácidos. [5] Sin embargo, ninguno ha logrado una aplicación a gran escala hasta el momento. Por otro lado, el cultivo de algas a gran escala es un proceso biológico y podría secuestrar cantidades significativas de carbono. [6] El crecimiento potencial de algas marinas para el cultivo de carbono haría que las algas recolectadas se transportaran a las profundidades del océano para un entierro a largo plazo. [7] El Informe Especial del IPCC sobre el Océano y la Criosfera en un Clima Cambiante recomienda "mayor atención a la investigación" sobre el cultivo de algas marinas como táctica de mitigación. [8]
Terminología
El término secuestro de carbono se utiliza de diferentes maneras en la literatura y los medios. El Sexto Informe de Evaluación del IPCC lo define como "El proceso de almacenar carbono en un depósito de carbono". [9] : 2248 Posteriormente, una piscina se define como "un depósito en el sistema terrestre donde elementos, como el carbono y el nitrógeno, residen en diversas formas químicas durante un período de tiempo". [9] : 2244
El Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) define el secuestro de carbono de la siguiente manera: "El secuestro de carbono es el proceso de capturar y almacenar dióxido de carbono atmosférico". [3] [ necesita una cita para verificar ] Por lo tanto, la diferencia entre el secuestro de carbono y la captura y almacenamiento de carbono (CAC) a veces se confunde en los medios. [ cita necesaria ] El IPCC, sin embargo, define la CAC como "un proceso en el que una corriente relativamente pura de dióxido de carbono (CO 2 ) de fuentes industriales se separa, trata y transporta a un lugar de almacenamiento a largo plazo". [10] : 2221
Las plantas, como los bosques y los lechos de algas marinas , absorben dióxido de carbono del aire a medida que crecen y lo unen para formar biomasa . Sin embargo, estos depósitos biológicos se consideran sumideros de carbono volátiles ya que no se puede garantizar su secuestro a largo plazo. Eventos como incendios forestales o enfermedades, presiones económicas y prioridades políticas cambiantes pueden provocar que el carbono secuestrado se libere de nuevo a la atmósfera. [11]
El secuestro de carbono, cuando se aplica para la mitigación del cambio climático, puede basarse en mejorar el secuestro de carbono que ocurre naturalmente o utilizar tecnología para los procesos de secuestro de carbono. [ necesita copiar y editar ]
Dentro de los enfoques de captura y almacenamiento de carbono, el secuestro de carbono se refiere al componente de almacenamiento . Se pueden aplicar tecnologías de almacenamiento artificial de carbono, como el almacenamiento gaseoso en formaciones geológicas profundas (incluidas formaciones salinas y campos de gas agotados) y el almacenamiento sólido mediante la reacción del CO 2 con óxidos metálicos para producir carbonatos estables . [13]
Para que el carbono pueda ser secuestrado artificialmente (es decir, sin utilizar los procesos naturales del ciclo del carbono), primero debe capturarse, o debe retrasarse significativamente o evitarse que se vuelva a liberar a la atmósfera (mediante combustión, desintegración, etc.) un material existente rico en carbono, incorporándolo a un uso duradero (como en la construcción). [ necesita copiar y editar ] A partir de entonces, se puede almacenar pasivamente o seguir utilizándose productivamente a lo largo del tiempo de diversas formas. Por ejemplo, tras su cosecha, la madera (como material rico en carbono) puede incorporarse a la construcción o a una variedad de otros productos duraderos, secuestrando así su carbono durante años o incluso siglos. [14]
Por ejemplo, en Estados Unidos , la Orden Ejecutiva 13990 (titulada oficialmente "Protección de la salud pública y el medio ambiente y restauración de la ciencia para afrontar la crisis climática") de 2021, incluye varias menciones al secuestro de carbono mediante la conservación y restauración de ecosistemas sumideros de carbono, como como humedales y bosques. El documento enfatiza la importancia de los agricultores, propietarios de tierras y comunidades costeras en el secuestro de carbono. Ordena al Departamento del Tesoro que promueva la conservación de sumideros de carbono a través de mecanismos basados en el mercado. [15]
Secuestro biológico de carbono en la tierra
El secuestro biológico de carbono (también llamado biosecuestro ) es la captura y almacenamiento del dióxido de carbono, gas de efecto invernadero atmosférico, mediante procesos biológicos continuos [ contradictorios ] o mejorados. Esta forma de secuestro de carbono se produce a través de mayores tasas de fotosíntesis a través de prácticas de uso de la tierra como la reforestación y la gestión forestal sostenible . [16] [17] Los cambios en el uso de la tierra que mejoran la captura natural de carbono tienen el potencial de capturar y almacenar grandes cantidades de dióxido de carbono cada año. Estos incluyen la conservación, gestión y restauración de ecosistemas como bosques, turberas , humedales y pastizales , además de métodos de secuestro de carbono en la agricultura. [18] Existen métodos y prácticas para mejorar el secuestro de carbono del suelo tanto en la agricultura como en la silvicultura . [19]
Una consideración importante en tales esfuerzos es que los bosques pueden pasar de ser sumideros a fuentes de carbono. [23] [24] [25] En 2019, los bosques absorbieron un tercio menos de carbono que en la década de 1990, debido al aumento de las temperaturas, las sequías y la deforestación . El bosque tropical típico puede convertirse en una fuente de carbono para la década de 2060. [26]
Los investigadores han descubierto que, en términos de servicios ambientales, es mejor evitar la deforestación que permitirla para luego reforestar, ya que lo primero conduce a efectos irreversibles en términos de pérdida de biodiversidad y degradación del suelo . [27] Además, la probabilidad de que el carbono heredado se libere del suelo es mayor en los bosques boreales más jóvenes. [28] Las emisiones globales de gases de efecto invernadero causadas por los daños a los bosques tropicales pueden haberse subestimado sustancialmente hasta alrededor de 2019. [29] Además, los efectos de la forestación y la reforestación serán más lejanos en el futuro que mantener intactos los bosques existentes. [30] Se necesita mucho más tiempo –varias décadas– para que los beneficios del calentamiento global se manifiesten en los mismos beneficios del secuestro de carbono de los árboles maduros en los bosques tropicales y, por tanto, de la limitación de la deforestación. [31] Por lo tanto, los científicos consideran que "la protección y recuperación de los ecosistemas ricos en carbono y de larga vida, especialmente los bosques naturales" es "la principal solución climática ". [32]
La plantación de árboles en cultivos marginales y pastos ayuda a incorporar carbono del CO atmosférico 2en biomasa . [33] [34] Para que este proceso de secuestro de carbono tenga éxito, el carbono no debe regresar a la atmósfera a partir de la quema de biomasa o la pudrición cuando los árboles mueren. [35] A tal fin, las tierras asignadas a los árboles no deben destinarse a otros usos. Alternativamente, la madera procedente de ellos debe ser secuestrada, por ejemplo, mediante biocarbón , bioenergía con captura y almacenamiento de carbono , vertederos o almacenarse para su uso en la construcción.
La Tierra ofrece suficiente espacio para plantar 900 millones de hectáreas adicionales de cobertura arbórea. [36] Plantar y proteger estos árboles secuestraría 205 mil millones de toneladas de carbono. [36] Para poner esta cifra en perspectiva, se trata de aproximadamente 20 años de emisiones globales de carbono actuales (a partir de 2019). [37] Este nivel de secuestro representaría alrededor del 25% de la reserva de carbono de la atmósfera en 2019. [36]
La esperanza de vida de los bosques varía en todo el mundo, influenciada por las especies de árboles, las condiciones del sitio y los patrones de perturbación natural. En algunos bosques, el carbono puede almacenarse durante siglos, mientras que en otros bosques, el carbono se libera mediante frecuentes incendios que reemplazan a los bosques. Los bosques que se talan antes de los eventos de reemplazo de rodales permiten la retención de carbono en productos forestales manufacturados como la madera . [38] Sin embargo, sólo una parte del carbono eliminado de los bosques talados termina en bienes duraderos y edificios. El resto termina como subproductos del aserradero, como pulpa, papel y paletas. [39] Si todas las nuevas construcciones a nivel mundial utilizaran un 90% de productos de madera, en gran medida mediante la adopción de madera en masa en construcciones de poca altura , esto podría secuestrar 700 millones de toneladas netas de carbono por año. [40] [41] Esto se suma a la eliminación de las emisiones de carbono del material de construcción desplazado, como el acero o el hormigón, cuya producción requiere una gran cantidad de carbono.
Un metaanálisis encontró que las plantaciones de especies mixtas aumentarían el almacenamiento de carbono junto con otros beneficios de diversificar los bosques plantados. [9]
Aunque un bosque de bambú almacena menos carbono total que un bosque maduro de árboles, una plantación de bambú secuestra carbono a un ritmo mucho más rápido que un bosque maduro o una plantación de árboles. Por lo tanto, el cultivo de madera de bambú puede tener un importante potencial de secuestro de carbono. [42]
El Sexto Informe de Evaluación del IPCC dice: "El recrecimiento de los bosques secundarios y la restauración de bosques degradados y ecosistemas no forestales pueden desempeñar un papel importante en el secuestro de carbono (nivel de confianza alto) con una alta resiliencia a las perturbaciones y beneficios adicionales como una mayor biodiversidad". [44] [45]
Los impactos sobre la temperatura se ven afectados por la ubicación del bosque. Por ejemplo, la reforestación en regiones boreales o subárticas tiene menos impacto en el clima. Esto se debe a que sustituye una región de alto albedo dominada por la nieve por una cubierta forestal de bajo albedo. Por el contrario, los proyectos de reforestación tropical provocan un cambio positivo como la formación de nubes . Estas nubes luego reflejan la luz del sol , bajando las temperaturas. [46] : 1457
Plantar árboles en climas tropicales con estaciones húmedas tiene otra ventaja. En ese entorno, los árboles crecen más rápidamente (fijando más carbono) porque pueden crecer durante todo el año. Los árboles en climas tropicales tienen, en promedio, hojas más grandes, más brillantes y más abundantes que los de climas no tropicales. Un estudio de la circunferencia de 70.000 árboles en toda África ha demostrado que los bosques tropicales absorben más contaminación por dióxido de carbono de lo que se creía anteriormente. La investigación sugirió que casi una quinta parte de las emisiones de combustibles fósiles son absorbidas por los bosques de África, la Amazonia y Asia . Simon Lewis afirmó: "Los árboles de los bosques tropicales están absorbiendo alrededor del 18% del dióxido de carbono añadido a la atmósfera cada año por la quema de combustibles fósiles, amortiguando sustancialmente la tasa de cambio". [47] [ fuente obsoleta ]
Humedales
Un ecosistema de humedal saludable
Distribución global del carbono azul (vegetación arraigada en la zona costera): marismas, manglares y praderas marinas. [48]
La restauración de humedales implica restaurar las funciones biológicas, geológicas y químicas naturales de un humedal mediante su restablecimiento o rehabilitación. [49] Es una buena manera de reducir el cambio climático. [50] El suelo de los humedales, particularmente en los humedales costeros como manglares , pastos marinos y marismas , [50] es un importante reservorio de carbono; Entre el 20% y el 30% del carbono del suelo mundial se encuentra en humedales, mientras que sólo entre el 5% y el 8% de la tierra del mundo está compuesta de humedales. [51] Los estudios han demostrado que los humedales restaurados pueden convertirse en sumideros productivos de CO 2 [52] [53] [54] y muchos se están restaurando. [55] [56] Además de los beneficios climáticos, la restauración y conservación de los humedales pueden ayudar a preservar la biodiversidad, mejorar la calidad del agua y ayudar a controlar las inundaciones . [57]
Las plantas que componen los humedales absorben dióxido de carbono (CO 2 ) de la atmósfera y lo convierten en materia orgánica. La naturaleza anegado del suelo ralentiza la descomposición de la materia orgánica, lo que lleva a la acumulación de turba rica en carbono, [ se necesita aclaración ] que actúa como un sumidero de carbono a largo plazo . [58] Además, las condiciones anaeróbicas en suelos anegados dificultan la descomposición completa de la materia orgánica, promoviendo la conversión de carbono en formas más estables. [58] [ necesita edición de copia ]
Al igual que con los bosques, para que el proceso de secuestro tenga éxito, el humedal debe permanecer intacto. Si se altera, el carbono almacenado en las plantas y los sedimentos se liberará de nuevo a la atmósfera y el ecosistema ya no funcionará como sumidero de carbono. [59] Además, algunos humedales pueden liberar gases de efecto invernadero distintos del CO 2 , como el metano [60] y el óxido nitroso [61], lo que podría contrarrestar los posibles beneficios climáticos. Las cantidades de carbono secuestradas a través del carbono azul por los humedales también pueden ser difíciles de medir. [57]
El suelo de los humedales es un importante sumidero de carbono ; El 14,5% del carbono del suelo mundial se encuentra en humedales, mientras que sólo el 5,5% de la tierra del mundo está compuesto de humedales. [62] Los humedales no solo son un gran sumidero de carbono, sino que también tienen muchos otros beneficios, como recolectar agua de inundaciones, filtrar los contaminantes del aire y el agua y crear un hogar para numerosas aves, peces, insectos y plantas. [63]
El cambio climático podría alterar el almacenamiento de carbono en el suelo de los humedales, transformándolo de un sumidero a una fuente. [64] [ fuente obsoleta ] Con el aumento de las temperaturas se produce un aumento de los gases de efecto invernadero de los humedales, especialmente los lugares con permafrost . Cuando este permafrost se derrite, aumenta el oxígeno y el agua disponibles en el suelo. [64] Debido a esto, las bacterias en el suelo crearían grandes cantidades de dióxido de carbono y metano que se liberarían a la atmósfera. [64] [ fuente obsoleta ]
Aún no se conoce del todo el vínculo entre el cambio climático y los humedales. [64] [ fuente obsoleta ] Tampoco está claro cómo los humedales restaurados gestionan el carbono sin dejar de ser una fuente contribuyente de metano. Sin embargo, preservar estas áreas ayudaría a prevenir una mayor liberación de carbono a la atmósfera. [65]
Turberas, turberas y turberas
Las turberas contienen aproximadamente el 30% del carbono de nuestro ecosistema. [65] Cuando se drenan para tierras agrícolas y urbanización, debido a que las turberas son tan vastas, grandes cantidades de carbono se descomponen y emiten CO 2 a la atmósfera. [65] La pérdida de una turbera podría producir potencialmente más carbono que 175 a 500 años de emisiones de metano . [64]
Las turberas actúan como sumideros de carbono porque acumulan biomasa parcialmente descompuesta que, de otro modo, continuaría descomponiéndose por completo. Existe una variación en la medida en que las turberas actúan como sumidero o fuente de carbono [ se necesita aclaración ] que puede vincularse a los diferentes climas en diferentes áreas del mundo y diferentes épocas del año. [66] [ necesita copiar y editar ] Al crear nuevos pantanos o mejorar los existentes, aumentaría la cantidad de carbono secuestrado por los pantanos. [67] [ contradictorio ]
En comparación con la vegetación natural, los suelos de las tierras de cultivo tienen una disminución del carbono orgánico del suelo (COS). Cuando el suelo se convierte de tierra natural o seminatural, como bosques, praderas, estepas y sabanas, el contenido de COS en el suelo se reduce entre un 30% y un 40%. [68] Esta pérdida se debe a la cosecha , ya que las plantas contienen carbono. Cuando cambia el uso de la tierra , el carbono en el suelo aumentará o disminuirá, y este cambio continuará hasta que el suelo alcance un nuevo equilibrio. Las desviaciones de este equilibrio también pueden verse afectadas por la variación del clima [ se necesita aclaración ] . [69]
La disminución del contenido de COS se puede contrarrestar aumentando la entrada de carbono. Esto se puede hacer con varias estrategias, por ejemplo, dejar los residuos de la cosecha en el campo, utilizar estiércol como fertilizante o incluir cultivos perennes en la rotación. Los cultivos perennes tienen una mayor fracción de biomasa subterránea, lo que aumenta el contenido de COS. [68]
Los cultivos perennes reducen la necesidad de labranza y, por lo tanto, ayudan a mitigar la erosión del suelo y pueden ayudar a aumentar la materia orgánica del suelo. A nivel mundial, se estima que los suelos contienen >8.580 gigatoneladas de carbono orgánico, aproximadamente diez veces la cantidad de la atmósfera y mucho más que la vegetación. [70]
Los investigadores han descubierto que el aumento de las temperaturas puede provocar un aumento de la población de microbios del suelo, convirtiendo el carbono almacenado en dióxido de carbono. En experimentos de laboratorio al calentar el suelo, los suelos ricos en hongos liberaron menos dióxido de carbono que otros suelos. [71]
Tras la absorción de dióxido de carbono (CO 2 ) de la atmósfera, las plantas depositan materia orgánica en el suelo. [72] Esta materia orgánica, derivada del material vegetal en descomposición y de los sistemas de raíces, es rica en compuestos de carbono. Los microorganismos del suelo descomponen esta materia orgánica y, en el proceso, parte del carbono se estabiliza aún más en el suelo como humus , un proceso conocido como humificación . [73]
A nivel mundial, se estima que el suelo contiene alrededor de 2.500 gigatoneladas de carbono. [ contradictorio ] Esto es más de 3 veces el carbono que se encuentra en la atmósfera y 4 veces del que se encuentra en las plantas y animales vivos. [74] Alrededor del 70% del carbono orgánico global del suelo en áreas sin permafrost se encuentra en el suelo más profundo dentro del metro superior y está estabilizado por asociaciones mineral-orgánicas. [75]
Cultivo de carbono
El cultivo de carbono es un conjunto de métodos agrícolas que tienen como objetivo almacenar carbono en el suelo , las raíces de los cultivos, la madera y las hojas. El término técnico para esto es secuestro de carbono . El objetivo general del cultivo de carbono es crear una pérdida neta de carbono de la atmósfera. [76] Esto se logra aumentando la velocidad a la que el carbono es secuestrado en el suelo y el material vegetal. Una opción es aumentar el contenido de materia orgánica del suelo . Esto también puede ayudar al crecimiento de las plantas, mejorar la capacidad de retención de agua del suelo [77] y reducir el uso de fertilizantes . [78] La gestión forestal sostenible es otra herramienta que se utiliza en el cultivo de carbono. [79] El cultivo de carbono es un componente de la agricultura climáticamente inteligente . También es una forma de eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera .
Los métodos de cultivo de carbono podrían tener costos adicionales. Algunos países tienen políticas gubernamentales que brindan incentivos financieros a los agricultores para que utilicen métodos de cultivo de carbono. [80] A partir de 2016, las variantes del cultivo de carbono alcanzaron cientos de millones de hectáreas en todo el mundo, de los casi 5 mil millones de hectáreas (1,2 × 10 10 acres) de tierras agrícolas mundiales. [81] El cultivo de carbono tiene algunas desventajas porque algunos de sus métodos pueden afectar los servicios ecosistémicos . Por ejemplo, el cultivo de carbono podría provocar un aumento del desmonte de tierras, los monocultivos y la pérdida de biodiversidad . [82] Es importante maximizar los beneficios ambientales del cultivo de carbono teniendo en cuenta al mismo tiempo los servicios ecosistémicos. [82]
praderas
La restauración de praderas es un esfuerzo de conservación para restaurar las tierras de las praderas que fueron destruidas debido al desarrollo industrial, agrícola , comercial o residencial. [83] El objetivo principal es devolver las áreas y ecosistemas a su estado anterior antes de su agotamiento. [84] La masa de COS que se puede almacenar en estas parcelas restauradas suele ser mayor que la del cultivo anterior, lo que actúa como un sumidero de carbono más eficaz. [85] [86]
biocarbón
El biocarbón es carbón vegetal creado por pirólisis de residuos de biomasa . El material resultante se añade a un vertedero o se utiliza como mejorador del suelo para crear terra preta . [87] [88] La adición de biocarbón puede aumentar las reservas de C del suelo a largo plazo y así mitigar el calentamiento global al compensar el C atmosférico (hasta 9,5 gigatoneladas de C al año). [89] En el suelo, el carbono del biocarbón no está disponible para la oxidación a CO 2y su consiguiente liberación atmosférica. Sin embargo, han surgido preocupaciones acerca de que el biocarbón pueda acelerar la liberación del carbono ya presente en el suelo. [90] [ necesita actualización ]
La terra preta , un suelo antropogénico con alto contenido de carbono, también se está investigando como mecanismo de secuestro. Al pirolizar la biomasa, aproximadamente la mitad de su carbono se puede reducir a carbón vegetal , que puede persistir en el suelo durante siglos y constituye una enmienda útil para el suelo, especialmente en suelos tropicales ( biochar o agrichar ). [91] [92]
Enterrar biomasa (como árboles) imita directamente los procesos naturales que crearon los combustibles fósiles . [93] Se estima que el potencial mundial de secuestro de carbono mediante el entierro de madera es de 10 ± 5 GtC/año y las tasas más altas en los bosques tropicales (4,2 GtC/año), seguidos de los bosques templados (3,7 GtC/año) y boreales (2,1 GtC/año). /año). [14] En 2008, Ning Zeng de la Universidad de Maryland estimó que 65 GtC [ necesita actualización ] yacen en el suelo de los bosques del mundo como material leñoso grueso que podría ser enterrado y los costos del secuestro de carbono del entierro de la madera ascienden a 50 USD/tC, lo que es mucho menor que la captura de carbono procedente, por ejemplo, de las emisiones de las centrales eléctricas. [14] La fijación de CO 2 en la biomasa leñosa es un proceso natural que se lleva a cabo mediante la fotosíntesis . Se trata de una solución basada en la naturaleza y los métodos que se están probando incluyen el uso de "bóvedas de madera" para almacenar el carbono que contiene la madera en condiciones libres de oxígeno. [94]
En 2022, una organización certificadora publicó metodologías para el entierro de biomasa. [95] Otras propuestas de almacenamiento de biomasa han incluido el entierro de biomasa en las profundidades del agua, incluso en el fondo del Mar Negro . [96]
Secuestro de carbono geológico
Almacenamiento subterráneo en formaciones geológicas adecuadas.
El secuestro geológico se refiere al almacenamiento de CO 2 bajo tierra en yacimientos agotados de petróleo y gas, formaciones salinas o lechos de carbón profundos no aptos para la minería. [97]
Una vez que se captura el CO 2 de una fuente puntual, como una fábrica de cemento, [98] se puede comprimir a ≈100 bar en un fluido supercrítico . De esta forma , el CO 2 podría transportarse mediante tuberías hasta el lugar de almacenamiento. Luego, el CO 2 podría inyectarse a gran profundidad, normalmente alrededor de 1 km (0,6 millas), donde permanecería estable durante cientos o millones de años. [99] En estas condiciones de almacenamiento, la densidad del CO 2 supercrítico es de 600 a 800 kg/m 3 . [100]
Los parámetros importantes para determinar un buen sitio para el almacenamiento de carbono son: porosidad de la roca, permeabilidad de la roca, ausencia de fallas y geometría de las capas de roca. Lo ideal es que el medio en el que se almacene el CO2 tenga una alta porosidad y permeabilidad, como por ejemplo arenisca o piedra caliza . La arenisca puede tener una permeabilidad que oscila entre 1 y 10 −5 Darcy , con una porosidad de hasta ≈30%. La roca porosa debe estar cubierta por una capa de baja permeabilidad que actúa como sello o roca de cobertura para el CO 2 . El esquisto es un ejemplo de muy buena roca de recubrimiento, con una permeabilidad de 10 −5 a 10 −9 Darcy. Una vez inyectada, la columna de CO 2 se elevará mediante fuerzas de flotación, ya que es menos densa que su entorno. Una vez que encuentre una capa de roca, se extenderá lateralmente hasta encontrar un espacio. Si hay planos de falla cerca de la zona de inyección, existe la posibilidad de que el CO 2 migre a lo largo de la falla hacia la superficie, filtrándose a la atmósfera, lo que sería potencialmente peligroso para la vida en el área circundante. Otro riesgo relacionado con el secuestro de carbono es la sismicidad inducida. Si la inyección de CO 2 crea presiones subterráneas demasiado altas, la formación se fracturará, provocando potencialmente un terremoto. [101]
El atrapamiento estructural se considera el principal mecanismo de almacenamiento; las rocas impermeables o de baja permeabilidad, como la lutita , la anhidrita , la halita o los carbonatos compactos [ se necesita aclaración ], actúan como una barrera para la migración flotante ascendente de CO2, lo que resulta en la retención de CO2 dentro de un espacio de almacenamiento. formación. [102] Mientras está atrapado en una formación rocosa, el CO 2 puede estar en la fase de fluido supercrítico o disolverse en agua subterránea o salmuera. También puede reaccionar con minerales en la formación geológica para convertirse en carbonatos.
Secuestro de minerales
El secuestro de minerales tiene como objetivo atrapar carbono en forma de sales de carbonato sólidas . Este proceso ocurre lentamente en la naturaleza y es responsable de la deposición y acumulación de piedra caliza a lo largo del tiempo geológico. El ácido carbónico en el agua subterránea reacciona lentamente con silicatos complejos para disolver calcio , magnesio , álcalis y sílice y dejar un residuo de minerales arcillosos . El calcio y el magnesio disueltos reaccionan con el bicarbonato para precipitar carbonatos de calcio y magnesio, un proceso que los organismos utilizan para formar conchas. Cuando los organismos mueren, sus caparazones se depositan como sedimento y eventualmente se convierten en piedra caliza. Las calizas se han acumulado a lo largo de miles de millones de años de tiempo geológico y contienen gran parte del carbono de la Tierra. Las investigaciones en curso tienen como objetivo acelerar reacciones similares con carbonatos alcalinos. [103]
El CO 2 reacciona exotérmicamente con óxidos metálicos, produciendo carbonatos estables (por ejemplo, calcita , magnesita ). Este proceso (CO 2 a piedra) ocurre naturalmente durante períodos de años y es responsable de gran parte de la piedra caliza superficial . La olivina es uno de esos óxidos metálicos. [105] [ fuente autoeditada? ] Las rocas ricas en óxidos metálicos que reaccionan con el CO 2 , como el MgO y el CaO contenidos en los basaltos , han demostrado ser un medio viable para lograr el almacenamiento de minerales de dióxido de carbono. [106] [107] En principio, la velocidad de reacción se puede acelerar con un catalizador [108] o aumentando la presión, o mediante un pretratamiento mineral, aunque este método puede requerir energía adicional.
Los relaves mineros ultramáficos son una fuente fácilmente disponible de óxidos metálicos de grano fino que podrían servir para este propósito. [109] La aceleración del secuestro pasivo de CO 2 a través de la carbonatación mineral se puede lograr mediante procesos microbianos que mejoran la disolución mineral y la precipitación de carbonatos. [110] [111] [112]
Carbono, en forma de CO 2Puede eliminarse de la atmósfera mediante procesos químicos y almacenarse en formas minerales carbonatadas estables . Este proceso ( CO 2-a-piedra) se conoce como "secuestro de carbono por carbonatación mineral " o secuestro de minerales. El proceso implica hacer reaccionar dióxido de carbono con óxidos metálicos abundantemente disponibles, ya sea óxido de magnesio (MgO) u óxido de calcio (CaO), para formar carbonatos estables. Estas reacciones son exotérmicas y ocurren naturalmente (por ejemplo, la erosión de la roca durante períodos geológicos ). [113] [114]
CaO+ CO 2→ CaCO 3
MgO+ CO 2→ MgCO 3
El calcio y el magnesio se encuentran en la naturaleza típicamente como silicatos de calcio y magnesio (como forsterita y serpentinita ) y no como óxidos binarios. Para forsterita y serpentina las reacciones son:
Estas reacciones son ligeramente más favorables a bajas temperaturas. [113] Este proceso ocurre naturalmente en períodos de tiempo geológicos y es responsable de gran parte de la piedra caliza de la superficie de la Tierra . Sin embargo, la velocidad de reacción se puede acelerar reaccionando a temperaturas y/o presiones más altas, aunque este método requiere algo de energía adicional. Alternativamente, el mineral podría molerse para aumentar su superficie y exponerse al agua y a la abrasión constante para eliminar la sílice inerte, como se podría lograr de forma natural arrojando olivino en las olas de alta energía de las playas. [115]
Cuando CO 2se disuelve en agua y se inyecta en rocas basálticas calientes bajo tierra, se ha demostrado que el CO 2Reacciona con el basalto para formar minerales carbonatados sólidos. [116] En octubre de 2017 se puso en marcha una planta de prueba en Islandia, que extrae hasta 50 toneladas de CO 2 al año de la atmósfera y lo almacena bajo tierra en roca basáltica. [117] [ necesita actualización ]
Secuestro en los océanos
Bombas de carbono marinas
La red alimentaria pelágica , que muestra la participación central de los microorganismos marinos en la forma en que el océano importa carbono y luego lo exporta de regreso a la atmósfera y al fondo del océano.
El océano secuestra carbono de forma natural mediante diferentes procesos. [118] La bomba de solubilidad mueve el dióxido de carbono de la atmósfera a la superficie del océano, donde reacciona con las moléculas de agua para formar ácido carbónico. La solubilidad del dióxido de carbono aumenta al disminuir la temperatura del agua. La circulación termohalina mueve el dióxido de carbono disuelto a aguas más frías, donde es más soluble, aumentando las concentraciones de carbono en el interior del océano. La bomba biológica mueve el dióxido de carbono disuelto desde la superficie del océano hacia el interior del océano mediante la conversión de carbono inorgánico en carbono orgánico mediante la fotosíntesis. La materia orgánica que sobrevive a la respiración y la remineralización puede transportarse a través de partículas que se hunden y la migración de organismos a las profundidades del océano. [ cita necesaria ]
Las bajas temperaturas, la alta presión y los niveles reducidos de oxígeno en las profundidades del mar ralentizan los procesos de descomposición , impidiendo la rápida liberación de carbono a la atmósfera y actuando como un depósito de almacenamiento a largo plazo. [119]
Ecosistemas costeros con vegetación
El carbono azul es un concepto dentro de la mitigación del cambio climático que se refiere a "los flujos de carbono impulsados biológicamente y su almacenamiento en sistemas marinos que son susceptibles de gestión". [120] : 2220 Más comúnmente, se refiere al papel que las marismas , los manglares y las praderas marinas pueden desempeñar en el secuestro de carbono. [120] : 2220 Estos ecosistemas pueden desempeñar un papel importante para la mitigación del cambio climático y la adaptación basada en ecosistemas . Sin embargo, cuando los ecosistemas de carbono azul se degradan o se pierden, liberan carbono a la atmósfera, lo que aumenta las emisiones de gases de efecto invernadero . [120] : 2220
Las algas marinas crecen en zonas costeras y poco profundas y capturan cantidades importantes de carbono que pueden transportarse a las profundidades del océano mediante mecanismos oceánicos; Las algas marinas que llegan a las profundidades del océano secuestran carbono e impiden que se intercambie con la atmósfera durante milenios. [121] Se ha sugerido cultivar algas marinas en alta mar con el propósito de hundirlas en las profundidades del mar para secuestrar carbono. [122] Además, las algas marinas crecen muy rápido y, en teoría, pueden recolectarse y procesarse para generar biometano , mediante digestión anaeróbica para generar electricidad, mediante cogeneración/CHP o como reemplazo del gas natural . Un estudio sugirió que si las granjas de algas cubrieran el 9% del océano, podrían producir suficiente biometano para satisfacer la demanda equivalente de energía de combustibles fósiles de la Tierra, eliminar 53 gigatoneladas de CO 2 por año de la atmósfera y producir de manera sostenible 200 kg por año de pescado, por año. persona, para 10 mil millones de personas. [123] [ fuente obsoleta ] Las especies ideales para dicho cultivo y conversión incluyen Laminaria digitata , Fucus serratus y Saccharina latissima . [124]
Se están investigando tanto macroalgas como microalgas como posibles medios de secuestro de carbono. [125] [126] El fitoplancton marino realiza la mitad de la fijación fotosintética global de CO 2 (producción primaria global neta de ~50 Pg C por año) y la mitad de la producción de oxígeno a pesar de representar solo ~1% de la biomasa vegetal global. [127]
Debido a que las algas carecen de la compleja lignina asociada con las plantas terrestres , el carbono de las algas se libera a la atmósfera más rápidamente que el carbono capturado en la tierra. [125] [128] Las algas se han propuesto como una reserva de almacenamiento de carbono a corto plazo que puede usarse como materia prima para la producción de diversos combustibles biogénicos . [129]
Mujeres trabajando con algas
El cultivo de algas a gran escala podría secuestrar cantidades significativas de carbono. [6] Las algas silvestres secuestrarán una gran cantidad de carbono a través de partículas disueltas de materia orgánica que se transportan a los fondos marinos profundos, donde quedarán enterradas y permanecerán durante largos períodos de tiempo. [7] Con respecto al cultivo de carbono, el crecimiento potencial de algas para el cultivo de carbono haría que las algas cosechadas se transportaran a las profundidades del océano para su entierro a largo plazo. [7] El cultivo de algas se produce principalmente en las zonas costeras del Pacífico asiático, donde ha sido un mercado en rápido crecimiento. [7] El Informe Especial del IPCC sobre el Océano y la Criosfera en un Clima Cambiante recomienda "mayor atención a la investigación" sobre el cultivo de algas marinas como táctica de mitigación. [8]
La fertilización oceánica o la nutrición de los océanos es un tipo de tecnología para la eliminación de dióxido de carbono del océano basada en la introducción intencionada de nutrientes vegetales en la parte superior del océano para aumentar la producción de alimentos marinos y eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera. [130] [131] La fertilización con nutrientes oceánicos, por ejemplo la fertilización con hierro , podría estimular la fotosíntesis en el fitoplancton . El fitoplancton convertiría el dióxido de carbono disuelto del océano en carbohidratos , algunos de los cuales se hundirían en las profundidades del océano antes de oxidarse. Más de una docena de experimentos en mar abierto confirmaron que agregar hierro al océano aumenta la fotosíntesis en el fitoplancton hasta 30 veces. [132]
Este es uno de los enfoques de eliminación de dióxido de carbono (CDR) mejor investigados; sin embargo, este enfoque solo secuestraría carbono en una escala de tiempo de 10 a 100 años [ se necesita aclaración ] dependiendo de los tiempos de mezcla de los océanos. Si bien la acidez de la superficie del océano puede disminuir como resultado de la fertilización con nutrientes, cuando la materia orgánica que se hunde se remineraliza, la acidez del océano profundo aumentará. Un informe de 2021 sobre CDR indica que existe una confianza media-alta en que la técnica podría ser eficiente y escalable a bajo costo, con riesgos ambientales medios. [133] Uno de los riesgos clave de la fertilización con nutrientes es el robo de nutrientes, un proceso mediante el cual el exceso de nutrientes utilizados en un lugar para mejorar la productividad primaria, como en un contexto de fertilización, no está disponible para la productividad normal aguas abajo. [ se necesita aclaración ] Esto podría resultar en impactos en el ecosistema muy fuera del sitio original de fertilización. [133]
Se han propuesto
varias técnicas, incluida la fertilización con el micronutriente hierro (llamada fertilización con hierro) o con nitrógeno y fósforo (ambos macronutrientes). Pero una investigación realizada a principios de la década de 2020 sugirió que solo podía secuestrar permanentemente una pequeña cantidad de carbono. [134]
Surgencia artificial
El afloramiento o descenso artificial es un enfoque que cambiaría las capas de mezcla del océano. Fomentar la mezcla de varias capas oceánicas puede mover nutrientes y gases disueltos. [135] La mezcla se puede lograr colocando grandes tuberías verticales en los océanos para bombear agua rica en nutrientes a la superficie, provocando la proliferación de algas , que almacenan carbono cuando crecen y exportan [ se necesita aclaración ] carbono cuando mueren. [135] [136] [137] Esto produce resultados algo similares a la fertilización con hierro. Un efecto secundario es un aumento a corto plazo de CO 2, lo que limita su atractivo. [138]
Las capas de mezcla implican transportar el agua del océano profundo, más densa y fría, a la capa de mezcla superficial . A medida que la temperatura del océano disminuye con la profundidad, más dióxido de carbono y otros compuestos pueden disolverse en las capas más profundas. [139] Esto puede inducirse invirtiendo el ciclo del carbono oceánico mediante el uso de grandes tuberías verticales que sirven como bombas oceánicas, [140] o un conjunto mezclador. [141] Cuando el agua del océano profundo, rica en nutrientes, se mueve hacia la superficie, se produce la proliferación de algas , lo que resulta en una disminución del dióxido de carbono debido a la ingesta de carbono del fitoplancton y otros organismos fotosintéticos eucariotas . La transferencia de calor entre las capas también hará que el agua de mar de la capa mezclada se hunda y absorba más dióxido de carbono. Este método no ha ganado mucha popularidad ya que la proliferación de algas daña los ecosistemas marinos al bloquear la luz solar y liberar toxinas dañinas en el océano. [142] El aumento repentino de dióxido de carbono en el nivel de la superficie también disminuirá temporalmente el pH del agua de mar, perjudicando el crecimiento de los arrecifes de coral . La producción de ácido carbónico mediante la disolución de dióxido de carbono en el agua de mar dificulta la calcificación biogénica marina y provoca importantes alteraciones en la cadena alimentaria oceánica . [143]
Almacenamiento de basalto
El secuestro de dióxido de carbono en basalto implica la inyección de CO 2en formaciones de aguas profundas. El CO 2Primero se mezcla con agua de mar y luego reacciona con el basalto, ambos elementos ricos en alcalinos. Esta reacción da como resultado la liberación de iones Ca 2+ y Mg 2+ formando minerales carbonato estables. [144]
El basalto submarino ofrece una buena alternativa a otras formas de almacenamiento de carbono oceánico porque tiene una serie de medidas de captura para garantizar una protección adicional contra las fugas. Estas medidas incluyen "formación geoquímica, de sedimentos, gravitacional y de hidratos ". Porque CO 2El hidrato es más denso que el CO. 2en agua de mar, el riesgo de fuga es mínimo. Inyectar el CO 2a profundidades superiores a 2.700 metros (8.900 pies) garantiza que el CO 2Tiene una densidad mayor que el agua de mar, lo que hace que se hunda. [145]
Este proceso se está probando como parte del proyecto CarbFix , lo que da como resultado que el 95% de las 250 toneladas de CO 2 inyectadas se solidifiquen en calcita en dos años, utilizando 25 toneladas de agua por tonelada de CO 2 . [146] [147] [ necesita actualización ]
Mineralización y sedimentos de aguas profundas.
De manera similar a los procesos de mineralización que tienen lugar dentro de las rocas, la mineralización también puede ocurrir bajo el mar. La tasa de disolución del dióxido de carbono de la atmósfera a las regiones oceánicas [ se necesita aclaración ] está determinada por el período de circulación del océano y la capacidad amortiguadora del agua superficial que subduce . [148] Los investigadores han demostrado que el almacenamiento marino de dióxido de carbono a varios kilómetros de profundidad podría ser viable durante hasta 500 años, pero depende del lugar y las condiciones de la inyección. Varios estudios han demostrado que, aunque puede fijar eficazmente el dióxido de carbono, con el tiempo puede volver a liberarse a la atmósfera. Sin embargo, esto es poco probable hasta dentro de al menos algunos siglos más. La neutralización de CaCO 3 , o el equilibrio de la concentración de CaCO 3 en el fondo marino, la tierra y el océano, se puede medir en una escala de tiempo de miles de años. Más específicamente, el tiempo previsto es de 1.700 años para el océano y aproximadamente de 5.000 a 6.000 años para la tierra. [149] [150] Además, el tiempo de disolución del CaCO 3 se puede mejorar inyectando cerca o aguas abajo del sitio de almacenamiento. [151]
Además de la mineralización de carbono , otra propuesta es la inyección de sedimentos en aguas profundas . Inyecta dióxido de carbono líquido al menos a 3.000 m (9.800 pies) debajo de la superficie directamente en los sedimentos del océano para generar hidrato de dióxido de carbono. Se definen dos regiones para la exploración: 1) la zona de flotabilidad negativa (NBZ), que es la región entre el dióxido de carbono líquido más denso que el agua circundante y donde el dióxido de carbono líquido tiene flotabilidad neutra, y 2) la zona de formación de hidratos (HFZ), que Normalmente tiene bajas temperaturas y altas presiones. Varios modelos de investigación han demostrado que la profundidad óptima de inyección requiere considerar la permeabilidad intrínseca y cualquier cambio en la permeabilidad del dióxido de carbono líquido para un almacenamiento óptimo. La formación de hidratos disminuye la permeabilidad del dióxido de carbono líquido y la inyección por debajo de la HFZ se ve más favorecida energéticamente que dentro de la HFZ. Si la NBZ es una columna de agua mayor que la HFZ, la inyección debe ocurrir debajo de la HFZ y directamente a la NBZ. [152] En este caso, el dióxido de carbono líquido se hundirá hasta la NBZ y se almacenará debajo de la capa de flotabilidad e hidratos. Puede ocurrir una fuga de dióxido de carbono si hay disolución en el fluido de los poros [ se necesita clarificación ] o mediante difusión molecular . Sin embargo, esto ocurre durante miles de años. [151] [153] [154]
Adición de bases para neutralizar ácidos.
El dióxido de carbono forma ácido carbónico cuando se disuelve en agua, por lo que la acidificación de los océanos es una consecuencia importante de los niveles elevados de dióxido de carbono y limita la velocidad a la que puede ser absorbido en el océano (la bomba de solubilidad ). Se ha sugerido una variedad de bases diferentes que podrían neutralizar el ácido y así aumentar el CO. 2absorción. [155] [156] [157] [158] [159] Por ejemplo, agregar piedra caliza triturada a los océanos mejora la absorción de dióxido de carbono. [160] Otro enfoque es agregar hidróxido de sodio a los océanos, que se produce por electrólisis de agua salada o salmuera, mientras se elimina el ácido clorhídrico residual por reacción con una roca de silicato volcánico como la enstatita , aumentando efectivamente la tasa de erosión natural de estas rocas. para restaurar el pH del océano. [161] [162] [163] [ necesita edición de copia ]
Secuestro y almacenamiento de carbono en un solo paso
El secuestro y almacenamiento de carbono en un solo paso es una tecnología de mineralización a base de agua salina que extrae dióxido de carbono del agua de mar y lo almacena en forma de minerales sólidos. [164]
Ideas abandonadas
Inyección directa de dióxido de carbono en aguas profundas
Alguna vez se sugirió que el CO 2 podría almacenarse en los océanos mediante inyección directa en las profundidades del océano y almacenarlo allí durante algunos siglos. En su momento, esta propuesta se llamó "almacenamiento en el océano", pero más precisamente se la conocía como " inyección directa de dióxido de carbono en aguas profundas ". Sin embargo, el interés en esta vía de almacenamiento de carbono se ha reducido mucho desde aproximadamente 2001 debido a las preocupaciones sobre los impactos desconocidos en la vida marina [165] : 279 , los altos costos y las preocupaciones sobre su estabilidad o permanencia. [99] El "Informe especial del IPCC sobre captura y almacenamiento de dióxido de carbono" de 2005 sí incluía esta tecnología como una opción. [165] : 279 Sin embargo, el Quinto Informe de Evaluación del IPCC de 2014 ya no menciona el término "almacenamiento oceánico" en su informe sobre métodos de mitigación del cambio climático. [166] El Sexto Informe de Evaluación del IPCC más reciente de 2022 tampoco incluye ninguna mención al "almacenamiento en el océano" en su "taxonomía de eliminación de dióxido de carbono". [167] : 12–37
Costos
El costo del secuestro de carbono (sin incluir la captura y el transporte) varía, pero es inferior a 10 dólares EE.UU. por tonelada en algunos casos en los que se dispone de almacenamiento en tierra. [168] Por ejemplo, el costo de Carbfix es de alrededor de 25 dólares EE.UU. por tonelada de CO 2 . [169] Un informe de 2020 estimó el secuestro en los bosques (incluida la captura) entre 35 dólares estadounidenses para pequeñas cantidades y 280 dólares estadounidenses por tonelada, equivalente al 10 % del total necesario para mantener un calentamiento de 1,5 °C. [170] Pero existe el riesgo de que los incendios forestales liberen carbono. [171]
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