La captura directa de aire ( DAC ) es el uso de procesos químicos o físicos para extraer dióxido de carbono directamente del aire ambiente. [1] Si el CO 2 extraído se secuestra luego en un almacenamiento seguro a largo plazo (llamado captura y secuestro directo de carbono en el aire ( DACCS ), el proceso general logrará la eliminación de dióxido de carbono y será una "tecnología de emisiones negativas" (NET).
El dióxido de carbono (CO 2 ) se captura directamente del aire ambiente; esto contrasta con la captura y almacenamiento de carbono (CCS) que captura CO 2 de fuentes puntuales , como una fábrica de cemento o una planta de bioenergía . [2] Después de la captura, DAC genera una corriente concentrada de CO 2 para secuestro o utilización . La eliminación de dióxido de carbono se logra cuando el aire ambiente entra en contacto con medios químicos, típicamente un solvente alcalino acuoso [3] o sorbentes . [4] Estos medios químicos posteriormente se despojan de CO 2 mediante la aplicación de energía (es decir, calor), lo que da como resultado una corriente de CO 2 que puede sufrir deshidratación y compresión, mientras que simultáneamente regenera los medios químicos para su reutilización.
Cuando se combina con el almacenamiento a largo plazo de CO2 , la DAC se conoce como captura y almacenamiento directo de carbono en el aire ( DACCS o DACS [5] ). La DACCS puede funcionar como un mecanismo de eliminación de dióxido de carbono o como una tecnología de carbono negativo. A partir de 2023, la DACCS aún no se ha integrado en el comercio de emisiones porque, a más de US$1000, [6] el costo por tonelada de dióxido de carbono es muchas veces el precio del carbono en esos mercados. [7] Para que el proceso de extremo a extremo siga siendo carbono negativo neto, las máquinas DAC deben funcionar con fuentes de energía renovables , ya que el proceso puede ser bastante costoso en términos de energía. Las innovaciones futuras pueden reducir la intensidad energética de este proceso.
El DAC se propuso en 1999 y todavía se encuentra en desarrollo. [8] [9] Hay varias plantas comerciales planificadas o en funcionamiento en Europa y los EE. UU. La implementación de DAC a gran escala puede acelerarse si se conecta con aplicaciones económicas o incentivos de políticas.
A diferencia de la captura y almacenamiento de carbono (CCS), que captura las emisiones de una fuente puntual como una fábrica, la DAC reduce la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera en su conjunto. Por lo tanto, la DAC se puede utilizar para capturar emisiones que se originan en fuentes no estacionarias como los aviones. [2]
_-_bar_chart.svg/1280px-2010-_Direct_Air_Capture_-_global_-_International_Energy_Agency_(IEA)_-_bar_chart.svg.png)
Existen tres etapas de captura de CO2 en DAC: la etapa de contacto, la etapa de captura y la etapa de separación. En la etapa de contacto, el sistema DAC transporta aire atmosférico que contiene CO2 al equipo utilizando ventiladores de gran escala. Posteriormente, en la etapa de captura de CO2 , el CO2 se une rápida y efectivamente con solventes líquidos en reactores químicos o sorbentes sólidos en filtros, que deben poseer energías de enlace equivalentes a la del CO2 . Más tarde, en la etapa de separación de CO2, fuentes de energía externas facilitan la separación de CO2 de los solventes o sorbentes, produciendo CO2 puro y solventes o sorbentes regenerados. Luego de la finalización de estas tres etapas, el CO2 puro separado se utiliza o almacena, mientras que los solventes o sorbentes recuperados se reciclan para su reutilización en el proceso de captura de CO2 . [ 11]
El proceso DAC de baja temperatura utiliza sorbentes sólidos (S-DAC) y el proceso de alta temperatura utiliza solventes líquidos (L-DAC) que presentan diferentes propiedades en términos de cinética y transferencia de calor. [12] Actualmente, el DAC líquido (L-DAC) y el DAC sólido (S-DAC) representan dos tecnologías maduras para su implementación industrial. Además, varias tecnologías DAC emergentes, incluida la adsorción por oscilación electromagnética (ESA), la adsorción por oscilación de humedad (MSA) y el DAC basado en membrana (m-DAC), se encuentran en diferentes etapas de desarrollo, prueba o aplicación práctica limitada. [11]
Más recientemente, la empresa irlandesa Carbon Collect Limited [13] ha desarrollado el MechanicalTree™, que simplemente se coloca en el viento para capturar CO2 . La empresa afirma que esta "captura pasiva" de CO2 reduce significativamente el costo energético de la captura directa de aire y que su geometría se presta a la escalabilidad para la captura de gigatoneladas de CO2 .
La mayoría de las técnicas comerciales utilizan un disolvente líquido (normalmente a base de amina o cáustico ) para absorber el CO2 de un gas. [14] Por ejemplo, un disolvente cáustico común, el hidróxido de sodio, reacciona con el CO2 y precipita un carbonato de sodio estable. Este carbonato se calienta para producir una corriente de CO2 gaseoso de alta pureza. [ 15 ] [16] El hidróxido de sodio se puede reciclar a partir del carbonato de sodio en un proceso de caustificación . [17] Alternativamente, el CO2 se une al sorbente sólido en el proceso de quimisorción . [14] A través del calor y el vacío, el CO2 se desorbe del sólido. [16] [18]
Entre los procesos químicos específicos que se están explorando, se destacan tres: la caustificación con hidróxidos alcalinos y alcalinotérreos, la carbonatación , [19] y los sorbentes híbridos orgánico-inorgánicos constituidos por aminas soportadas en adsorbentes porosos . [8]
La idea de utilizar muchos depuradores DAC pequeños y dispersos —análogos a plantas vivas— para crear una reducción ambientalmente significativa en los niveles de CO 2 , le ha valido a la tecnología el nombre de árboles artificiales en los medios populares. [20] [21] [22]
En un proceso cíclico diseñado en 2012 por el profesor Klaus Lackner , director del Centro de Emisiones Negativas de Carbono (CNCE), el CO2 diluido se puede separar de manera eficiente utilizando una resina polimérica de intercambio aniónico llamada Marathon MSA, que absorbe el CO2 del aire cuando está seco y lo libera cuando se expone a la humedad. Una gran parte de la energía para el proceso es suministrada por el calor latente del cambio de fase del agua. [23] La tecnología requiere más investigación para determinar su relación costo-beneficio. [24] [25] [26]
Otras sustancias que se pueden utilizar son los marcos metalorgánicos (MOF). [27]
La separación de CO2 por membrana se basa en membranas semipermeables. Este método requiere poca agua y ocupa menos espacio. [14] Normalmente, se utilizan membranas poliméricas, ya sean vítreas o gomosas, para la captura directa de aire. Las membranas vítreas suelen mostrar una alta selectividad con respecto al dióxido de carbono; sin embargo, también tienen baja permeabilidad. La captura de dióxido de carbono por membrana todavía está en desarrollo y se necesitan más investigaciones antes de que pueda implementarse a mayor escala. [28]
Los defensores de la DAC sostienen que es un componente esencial de la mitigación del cambio climático . [1] [18] [26] Los investigadores postulan que la DAC podría ayudar a contribuir a los objetivos del Acuerdo de París (es decir, limitar el aumento de la temperatura media global a muy por debajo de los 2 °C por encima de los niveles preindustriales). Sin embargo, otros afirman que confiar en esta tecnología es riesgoso y podría posponer la reducción de emisiones bajo la idea de que será posible solucionar el problema más adelante, [9] [29] y sugieren que reducir las emisiones puede ser una mejor solución. [15] [30]
La DAC basada en la absorción a base de aminas requiere un importante aporte de agua. Se estima que para capturar 3,3 gigatoneladas de CO2 al año se necesitarían 300 km3 de agua, o el 4% del agua utilizada para riego . Por otra parte, el uso de hidróxido de sodio requiere mucha menos agua, pero la sustancia en sí es altamente cáustica y peligrosa. [9]
La DAC también requiere un aporte de energía mucho mayor en comparación con la captura tradicional de fuentes puntuales, como los gases de combustión , debido a la baja concentración de CO 2 . [15] [29] La energía mínima teórica requerida para extraer CO 2 del aire ambiente es de unos 250 kWh por tonelada de CO 2 , mientras que la captura de plantas de energía de gas natural y carbón requiere, respectivamente, unos 100 y 65 kWh por tonelada de CO 2 . [15] [1] Debido a esta demanda implícita de energía, algunos han propuesto utilizar " pequeñas plantas de energía nuclear " conectadas a instalaciones DAC. [9]
Cuando la DAC se combina con un sistema de captura y almacenamiento de carbono (CCS) , puede producir una planta de emisiones negativas, pero requeriría una fuente de electricidad libre de carbono . El uso de cualquier electricidad generada a partir de combustibles fósiles terminaría liberando más CO2 a la atmósfera del que capturaría. [29] Además, el uso de la DAC para la recuperación mejorada de petróleo anularía cualquier supuesto beneficio de mitigación del cambio climático. [9] [16]
Las aplicaciones prácticas del DAC incluyen:
Estas aplicaciones requieren diferentes concentraciones del producto de CO2 formado a partir del gas capturado. Las formas de secuestro de carbono, como el almacenamiento geológico, requieren productos de CO2 puros ( concentración > 99 %), mientras que otras aplicaciones, como la agricultura, pueden funcionar con productos más diluidos (~ 5 %). Dado que el aire que se procesa a través de DAC contiene originalmente 0,04 % de CO2 ( o 400 ppm), la creación de un producto puro requiere más energía que un producto diluido y, por lo tanto, suele ser más costosa. [23] [32]
La DAC no es una alternativa a la captura y almacenamiento de carbono (CCS) tradicional en fuentes puntuales, sino que es una tecnología complementaria que podría utilizarse para gestionar las emisiones de carbono de fuentes distribuidas, las emisiones fugitivas de la red de CCS y las fugas de formaciones geológicas. [1] [30] [15] Debido a que la DAC se puede implementar lejos de la fuente de contaminación, el combustible sintético producido con este método puede utilizar la infraestructura de transporte de combustible ya existente. [31]
Uno de los mayores obstáculos para la implementación de la DAC es el costo de separar el CO2 del aire. [32] [33] A partir de 2023, [actualizar]se estima que el costo total del sistema será de más de 1000 dólares por tonelada de CO2 . [6] La implementación de la DAC a gran escala se puede acelerar con incentivos de políticas. [34]
En virtud de la Ley Bipartidista de Infraestructura, el Departamento de Energía de Estados Unidos invertirá 3.500 millones de dólares en cuatro centros de captura directa de aire. Según la agencia, los centros tienen el potencial de capturar al menos un millón de toneladas métricas de dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera al año. Una vez capturado, el CO2 se almacenará de forma permanente en una formación geológica. [35]
Carbon Engineering es una empresa comercial de DAC fundada en 2009 y respaldada, entre otros, por Bill Gates y Murray Edwards . [31] [30] A partir de 2018 [actualizar], opera una planta piloto en Columbia Británica, Canadá, que ha estado en uso desde 2015 [18] y es capaz de extraer alrededor de una tonelada de CO 2 al día. [9] [30] Un estudio económico de su planta piloto realizado entre 2015 y 2018 estimó el costo en $ 94-232 por tonelada de CO 2 atmosférico eliminado. [18] [3]
En asociación con la empresa energética de California Greyrock, Carbon Engineering convierte una parte de su CO2 concentrado en combustible sintético , que incluye gasolina, diésel y combustible para aviones. [18] [30]
La empresa utiliza una solución de hidróxido de potasio que reacciona con el CO2 para formar carbonato de potasio , que elimina una cierta cantidad de CO2 del aire. [31]
La primera planta de DAC a escala industrial de Climeworks, que comenzó a funcionar en mayo de 2017 en Hinwil , en el cantón de Zúrich, Suiza, puede capturar 900 toneladas de CO2 al año. Para reducir sus necesidades energéticas, la planta utiliza el calor de una planta de incineración de residuos local . El CO2 se utiliza para aumentar la producción de hortalizas en un invernadero cercano. [36]
La empresa afirmó que cuesta alrededor de 600 dólares capturar una tonelada de CO2 del aire. [37] [14] [ necesita cotización para verificar ]
Climeworks se asoció con Reykjavik Energy en Carbfix , un proyecto lanzado en 2007. En 2017, se inició el proyecto CarbFix2 [38] y recibió financiación del programa de investigación Horizonte 2020 de la Unión Europea . El proyecto de la planta piloto CarbFix2 se ejecuta junto con una planta de energía geotérmica en Hellisheidi, Islandia . En este enfoque, se inyecta CO2 a 700 metros bajo tierra y se mineraliza en el lecho de roca basáltica formando minerales de carbonato. La planta DAC utiliza calor residual de baja calidad de la planta, eliminando efectivamente más CO2 del que ambos producen. [9] [39]
El 8 de mayo de 2024, Climeworks activó el planeta DAC más grande del mundo, llamado Mammoth, en Islandia. Según Climeworks, podrá extraer 36.000 toneladas de carbono de la atmósfera al año a plena capacidad, lo que equivale a retirar de la circulación unos 7.800 automóviles a gasolina durante un año. [40]
Global Thermostat es una empresa privada fundada en 2010, ubicada en Manhattan , Nueva York, con una planta en Huntsville, Alabama . [31] Global Thermostat utiliza sorbentes basados en aminas unidos a esponjas de carbono para eliminar el CO2 de la atmósfera. La empresa tiene proyectos que van desde 40 a 50.000 toneladas por año. [41] [ verificación necesaria ] [ fuente de terceros necesaria ]
La empresa afirma que elimina el CO2 por 120 dólares por tonelada en sus instalaciones de Huntsville. [31] [ dudoso – discutir ]
Global Thermostat ha cerrado acuerdos con Coca-Cola (que pretende utilizar DAC para obtener CO2 para sus bebidas carbonatadas) y ExxonMobil , que pretende iniciar un negocio de DAC como combustible utilizando la tecnología de Global Thermostat. [31]
Soletair Power es una startup fundada en 2016, ubicada en Lappeenranta , Finlandia, que opera en los campos de captura directa de aire y Power-to-X . La startup está respaldada principalmente por el grupo tecnológico finlandés Wärtsilä . Según Soletair Power, su tecnología es la primera en combinar la captura directa de aire con los sistemas HVAC de los edificios. La tecnología captura CO2 del aire que corre a través de las unidades de ventilación existentes de un edificio dentro de los edificios para eliminar el CO2 atmosférico y reducir las emisiones netas del edificio. El CO2 capturado se mineraliza en hormigón, se almacena o se utiliza para crear productos sintéticos como alimentos, textiles o combustible renovable . En 2020, Wärtsilä, junto con Soletair Power y Q Power, crearon su primera unidad de demostración de Power-to-X [42] para la Expo de Dubái 2020 , que puede producir metano sintético a partir del CO2 capturado de los edificios.
Es una empresa emergente con sede en Santa Cruz que se lanzó a partir de Y Combinator en 2019 para eliminar el CO2 del aire y convertirlo en gasolina y combustible para aviones con cero emisiones netas de carbono. [43] [44] La empresa utiliza una tecnología DAC, que adsorbe el CO2 del aire directamente en electrolitos de proceso, donde se convierte en alcoholes por electrocatálisis . Luego, los alcoholes se separan de los electrolitos mediante membranas de nanotubos de carbono y se mejoran a gasolina y combustibles para aviones. Dado que el proceso utiliza solo electricidad de fuentes renovables , los combustibles son neutros en carbono cuando se utilizan y no emiten CO2 neto a la atmósfera.
La primera instalación de captura directa de aire de Heirloom se inauguró en Tracy , California, en noviembre de 2023. La instalación puede eliminar hasta 1000 toneladas estadounidenses de CO2 al año, que luego se mezclan con hormigón utilizando tecnologías de CarbonCure. Heirloom también tiene un contrato con Microsoft en el que esta última comprará 315 000 toneladas métricas de CO2 eliminado . [45]
En el ámbito de la investigación, el desarrollo por parte del equipo de la ETH de Zúrich de una solución fotoácida para la captura directa del aire supone una innovación significativa. Esta tecnología, aún en fase de perfeccionamiento, destaca por sus mínimos requisitos energéticos y su novedoso proceso químico que permite la captura y liberación eficientes de CO2. El potencial de escalabilidad de este método y sus beneficios medioambientales lo alinean con los esfuerzos en curso de otras empresas enumeradas en esta sección, contribuyendo a la búsqueda global de soluciones de captura de carbono eficaces y sostenibles. [50]