La inyección directa de dióxido de carbono en aguas profundas fue una propuesta tecnológica (ahora abandonada) cuyo objetivo era extraer dióxido de carbono de la atmósfera mediante inyección directa en las profundidades oceánicas para almacenarlo allí durante siglos. En el fondo del océano, las presiones serían lo suficientemente grandes como para que el CO 2 estuviera en su fase líquida. La idea detrás de la inyección oceánica era tener depósitos estables y estacionarios de CO 2 en el fondo del océano. El océano podría contener potencialmente más de mil millones de toneladas de CO 2 . 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 , los altos costos y las preocupaciones sobre su estabilidad o permanencia. [1]
En 2005, un informe especial del IPCC resumió el estado de la investigación en ese momento. En ese momento, se concluyó que "el almacenamiento en aguas profundas podría ayudar a reducir el impacto de las emisiones de CO2 en la biología de la superficie oceánica, pero a expensas de los efectos en la biología de las profundidades oceánicas". [2] : 279 Además, se consideró dudoso que el público aceptara esta tecnología como parte de una estrategia de mitigación del cambio climático . [2] : 279
El Cuarto Informe de Evaluación del IPCC de 2007 se refirió a esta tecnología como almacenamiento oceánico . [3] : 287 Sin embargo, hoy en día ese término se utiliza más ampliamente como parte de la captura y almacenamiento de carbono y el secuestro de carbono en el océano. Por ejemplo, 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. [4] El Sexto Informe de Evaluación del IPCC más reciente de 2022 tampoco incluye ninguna mención al almacenamiento oceánico en su taxonomía de eliminación de dióxido de carbono . [5] : 12–37 En cambio, ahora se presta más atención a la gestión del carbono azul en las zonas costeras.
Los océanos cubren un poco más del 70% de la superficie total de la Tierra y desempeñan un papel importante en el sistema climático de la Tierra . [6] Debido a la solubilidad del dióxido de carbono en el agua, el CO 2 se disuelve naturalmente en las aguas oceánicas para formar un equilibrio . Con un aumento en la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera , la posición de equilibrio empuja el equilibrio en la dirección tal que más CO 2 se disuelve en el agua. Debido a este mecanismo, más de 500 Gtons de dióxido de carbono (que ascienden a un total de 140 Gtons de carbono) de emisiones antropogénicas de dióxido de carbono liberadas en los últimos 200 años han sido absorbidas por los océanos. [6] Con el aumento de las concentraciones atmosféricas de CO 2 liberadas debido a las actividades humanas en comparación con los niveles anteriores a la industrialización , los océanos están absorbiendo actualmente 7 Gt de dióxido de carbono por año. [7]
Después de que el dióxido de carbono atmosférico se disuelve en el océano, parte del dióxido de carbono reacciona con el agua de mar para formar ácido carbónico . [8] A medida que el ácido carbónico continúa interactuando con las moléculas de agua, se forma carbonato , lo que aumenta la concentración de iones de hidrógeno en el océano y, en consecuencia , reduce el pH del océano . Por lo tanto, el aumento de las concentraciones de dióxido de carbono en la atmósfera disminuye el pH del océano en un proceso llamado acidificación de los océanos . [2]
El concepto de inyectar dióxido de carbono deliberadamente en las partes más profundas del océano fue propuesto por primera vez por el físico italiano Cesare Marchetti en 1976. [9] Se pensaba que la inyección de dióxido de carbono diluido a 0,37 GTC/año tendría un efecto insignificante en el pH del océano. [2] La inyección diluida en el océano requiere poca infraestructura en comparación con otras formas de inyección en el océano. [8]
Una revisión en 2022 explicó que: "En 1997 en Kioto, durante la COP-3 de la CMNUCC , se firmó un acuerdo de proyecto internacional para el estudio de la inyección directa de CO 2 , con patrocinadores del Departamento de Energía de EE. UU. , la Organización de Desarrollo de Nuevas Energías y Tecnología Industrial de Japón y el Consejo de Investigación de Noruega ". Sin embargo, hubo críticas de varias organizaciones, incluida Greenpeace , debido a los impactos desconocidos en la vida marina profunda y las implicaciones legales. [10] : 262 Esta crítica se consideró un obstáculo desde aproximadamente 2003 en adelante.
La inyección de dióxido de carbono diluido requiere la inyección a profundidades donde el dióxido de carbono puede dispersarse por las corrientes oceánicas y la mezcla oceánica. Tras la inyección, las aguas interactúan y se mezclan en función de la densidad y diluyen la concentración de dióxido de carbono. [2] La inyección de dióxido de carbono desde un barco distribuye bajas concentraciones de dióxido de carbono en aguas abiertas mientras se mueve para aumentar el área de dispersión de dióxido de carbono. La dispersión de dióxido de carbono a través de un barco también puede ocurrir mediante una tubería conectada al barco que inyecta una mezcla de dióxido de carbono diluido en la columna de agua. El dióxido de carbono se inyectaría a 1000 m de profundidad para reducir el escape de burbujas de dióxido de carbono . A medida que las burbujas de dióxido de carbono inyectadas suben, la dispersión aumenta por la columna de agua. [11]
Los estudios muestran que la distribución de dióxido de carbono líquido mediante una tubería remolcada (atada a un barco que se desplaza perpendicularmente a la corriente) puede minimizar las concentraciones de dióxido de carbono altamente concentradas. La distribución mediante una tubería fija se limitaría a una pequeña región del océano y, a su vez, mataría instantáneamente a las especies sensibles que habitan en la región. Existe consenso entre los científicos en que el secuestro de dióxido de carbono en los océanos no es un plan a largo plazo en el que se pueda confiar, pero puede resolver problemas atmosféricos inmediatos si se implementa temporalmente. Los científicos creen que es posible diseñar formas de descargar dióxido de carbono a tasas que se asemejen a la fluctuación natural del dióxido de carbono en los océanos. [12]
El almacenamiento de dióxido de carbono en el océano puede ocurrir a través de hidratos sólidos o sólidos de dióxido de carbono . La densidad del estado sólido del dióxido de carbono es aproximadamente 1,5 veces mayor que la del agua de mar y, por lo tanto, tiende a hundirse hasta el fondo del océano. La tasa de disolución en la superficie es de aproximadamente 0,2 cm/h, de modo que una pequeña cantidad de dióxido de carbono puede disolverse completamente antes de llegar al fondo del mar. [2] Además de la inyección de dióxido de carbono sólido, el hidrato de dióxido de carbono [13] es otro método popular de almacenamiento. La formación de hidratos tiene lugar cuando la concentración disuelta de dióxido de carbono líquido es de alrededor del 30% y 400 metros por debajo del nivel del mar. Los hidratos se forman como una capa externa alrededor de las gotas de dióxido de carbono líquido o como una masa sólida. [14] La composición molecular está compuesta de dióxido de carbono y agua, dióxido de carbono•nH 2 O (n ≈ 5,75). [8] La densidad resultante es más densa que el agua de mar en aproximadamente un 10%. En comparación con el dióxido de carbono líquido, la forma de hidrato se disuelve significativamente más lento en el agua de mar, también a aproximadamente 0,2 cm/h. [14] Además, el hidrato permanece inmóvil en el fondo marino y forma una capa de hidrato, lo que obliga al dióxido de carbono líquido a moverse solo lateralmente. [15]
La estabilidad molecular general depende de la temperatura y la presión del entorno, y los hidratos solo se disocian cuando se ponen en contacto directo con calor adicional y agua en concentraciones inferiores a su concentración de equilibrio. [16] Sin embargo, debido a su estructura cristalina, el hidrato puro no viaja a través de tuberías. Dado que es extremadamente difícil lograr una eficiencia del 100 %, en realidad, tanto los experimentos de laboratorio como los de campo sugieren que la eficiencia de la reacción de hundimiento es de aproximadamente el 15-25 %. [8] Es probable que cualquier tipo de inestabilidad de los hidratos provoque disolución y dispersión durante el proceso de descenso o inyección. [15]
Los investigadores han podido demostrar en el laboratorio y en pequeños experimentos in situ que el dióxido de carbono puede inyectarse en los océanos en forma de columnas ascendentes o descendentes. [2] La columna se hundirá si es más densa que el agua de mar. Esto debería ocurrir si la columna, una mezcla de dióxido de carbono y agua de mar, se inyecta a profundidades de 3 km. [8] A medida que la columna se mueve verticalmente, se disolverá al menos parcialmente debido a la transferencia de masa convectiva con el agua de mar que pasa. La disolución aumenta con el aumento de las corrientes perpendiculares a la columna de agua vertical que contiene la columna debido al aumento de la transferencia de masa convectiva. Para las columnas descendentes, se desean corrientes horizontales mínimas para que la columna pueda hundirse hasta el fondo del océano para su secuestro a largo plazo. Lo contrario es deseable para las columnas ascendentes, que, de manera similar a otras técnicas de almacenamiento oceánico diluido mencionadas anteriormente, dependen de la dispersión para hacer que el cambio en la concentración de dióxido de carbono en el océano sea lo suficientemente bajo como para no afectar significativamente a la biosfera marina. [17]
El método de inyección propuesto consiste en gotas de dióxido de carbono supercrítico mezcladas con agua de mar. Las columnas se pueden diseñar para que se disuelvan a diferentes velocidades en función del tamaño, la concentración y la velocidad de inyección de las gotas de dióxido de carbono/agua de mar. En el caso de las columnas ascendentes que dependen de la disolución para secuestrar el dióxido de carbono, es mejor utilizar una gota más pequeña con una mayor velocidad de inyección porque conduce a una disolución más rápida. Las columnas que se hunden forman idealmente lagos de dióxido de carbono en el fondo del océano para un secuestro más a largo plazo. [2]
Los lagos de dióxido de carbono se forman en los fondos oceánicos, en depresiones o fosas del fondo marino. Estos lagos secuestran el dióxido de carbono mediante el aislamiento. El océano profundo tiene una tasa muy lenta de mezcla con la superficie del océano. Además, la superficie del lago de dióxido de carbono formará una capa de hidratos de cristal que ralentizará la disolución del dióxido de carbono en el océano que está por encima. El movimiento convectivo sobre la superficie del lago debido a las tormentas del fondo oceánico o las corrientes marinas normales aumentará la disolución. Sin ningún flujo masivo sobre el lago, el tiempo de almacenamiento del dióxido de carbono es de 10.000 años para un lago de 50 m de profundidad. Este número se reduce más de 25 veces con las corrientes de las tormentas del fondo oceánico. [2]
Los sitios se elegirían en función de la profundidad del fondo oceánico, la actividad sísmica y volcánica y la presencia de depósitos de CaCO3 que podrían aumentar la tasa de mineralización de carbono. [ 18] Algunos sitios propuestos para el almacenamiento a profundidades superiores a 6 km incluyen la fosa de Sunda en Indonesia , la fosa de Ryukyu en Japón y la fosa de Puerto Rico . [16]
El uso de hidratos de clatrato puede implementarse para reducir la velocidad de disolución del dióxido de carbono. [19] [20] Los hidratos le dan al dióxido de carbono una flotabilidad negativa, lo que permite que la inyección ocurra en niveles superficiales en lugar de a través de tuberías. [21] Los experimentos mostraron que el uso de hidratos de clatrato minimizó la velocidad a la que el dióxido de carbono inyectado se esparció por el fondo del océano. [12] Se demostró que esta velocidad minimiza el impacto en los organismos de aguas profundas. [19] La integridad de los hidratos depende en gran medida de la magnitud de la corriente oceánica en el sitio de inyección. [20] El dióxido de carbono se disolvió en las aguas superficiales antes de que el hidrato pudiera hundirse en el océano profundo (entre el 10 y el 55 % del dióxido de carbono permaneció adherido al hidrato a profundidades de 1500 m en el océano). [19] En experimentos de laboratorio, aún no se han logrado corrientes continuas de hidratos. [12]
Una estimación de costos de 2007 estimó que el costo de esta tecnología sería de entre 5 y 30 dólares estadounidenses por tonelada de CO2 neto inyectado. Esta estimación de costos incluía "el transporte marítimo de 100 a 500 km". [3] : 287
El Programa de Investigación y Desarrollo de Gases de Efecto Invernadero de la AIE estimó que la inyección de dióxido de carbono diluido costaría 70 dólares por tonelada de dióxido de carbono, incluidos los costos de captura, transporte y almacenamiento de carbono antes de su dispersión en embarcaciones. [22]
Los desafíos se resumieron en 2006 de la siguiente manera: "impactos biológicos desconocidos, altos costos, impermanencia del almacenamiento en los océanos y preocupaciones sobre la aceptación pública". [1] La cuestión de la impermanencia se debe al hecho de que en unos pocos cientos de años, el CO 2 inyectado se reequilibrará con la atmósfera. [3] : 285
Una evaluación realizada en 2013 resumió el estado de la cuestión de la siguiente manera: Objetivamente, los temores sobre la eliminación directa del CO2 en el océano son injustificados; sería demasiado costoso, demasiado controvertido y técnicamente complicado transferir grandes cantidades de CO2 a grandes profundidades. Pero en cualquier caso, tales esfuerzos se verían eclipsados por el millón de toneladas de CO2 de combustibles fósiles por hora que se transfieren actualmente del aire al mar. No obstante, los debates urgentes en torno al concepto de eliminación directa del CO2 en el océano ayudaron en gran medida a la comprensión científica moderna de los impactos del CO2 elevado en el océano. [23]
Los investigadores están estudiando cómo se ven afectados los ecosistemas antes y después de la inyección de dióxido de carbono líquido mediante "estudios de procesos, estudios de trazadores biogeoquímicos y estudios del fondo del océano". [2] El desafío proviene de la amplitud espacial del océano y la escala de tiempo en la que se producirían los efectos, lo que dificulta detectarlos con precisión. [20] Hay un conocimiento muy limitado sobre qué organismos y ecosistemas existen en esta área inexplorada y la interdependencia de dichos ecosistemas. [20] Lo que sigue se refiere específicamente al secuestro en el océano profundo mediante inyección diluida, pero toca métodos alternativos (inyección por tubería remolcada, inyección por tubería estacionaria, uso de hidratos). Debido al tamaño del océano, las predicciones y conclusiones sobre el riesgo ambiental de este proceso de secuestro se basan en experimentos a pequeña escala que se han extrapolado para mostrar posibles resultados en una escala tan grande como el océano. [2]
El secuestro oceánico en sedimentos de aguas profundas tiene el potencial de impactar la vida en aguas profundas. La composición química y física de las profundidades marinas no sufre cambios de la misma manera que las aguas superficiales. [2] Debido a su contacto limitado con la atmósfera, la mayoría de los organismos han evolucionado con muy poca perturbación física y química y expuestos a niveles mínimos de dióxido de carbono. [2] La mayor parte de su energía se obtiene al alimentarse de material particulado que desciende de las aguas superficiales del océano y sus ecosistemas. [2] Los ecosistemas de aguas profundas no tienen tasas de reproducción rápidas ni dan a luz a muchas crías debido a su acceso limitado al oxígeno y los nutrientes. [2] En particular, las especies que habitan en el rango de profundidad de 2000 a 3000 m del océano tienen poblaciones pequeñas y diversas. [2] La introducción de cantidades letales de dióxido de carbono en el medio ambiente de una especie de este tipo puede tener un impacto grave en el tamaño de la población y tardará más en recuperarse en comparación con las especies de aguas superficiales. [21]
Si el secuestro de dióxido de carbono en los océanos profundos se convierte en una práctica común, se seguirán investigando los efectos a largo plazo para predecir escenarios futuros de impactos del dióxido de carbono en los océanos profundos. [21] El secuestro de dióxido de carbono líquido en los océanos no solo afectaría a los ecosistemas de aguas profundas, sino que a largo plazo comenzaría a afectar a las especies de aguas superficiales. [21]
Aunque los efectos a largo plazo son los más relevantes para comprender, también son los más difíciles de predecir con precisión debido a la escala del océano y la diversidad en la sensibilidad de las especies a los niveles elevados de dióxido de carbono. Los organismos marinos de superficie han sido mejor estudiados que los animales de aguas profundas en términos de consecuencias debido a la exposición prolongada al dióxido de carbono y se ha demostrado que experimentan una reducción de la calcificación y el daño a sus esqueletos. [2] Esto afecta más gravemente la mortalidad y la tasa de crecimiento de los animales con caparazón. [2] Los peces adultos mostraron una notable tolerancia a los niveles elevados de dióxido de carbono, solo cuando la disolución del dióxido de carbono se produjo a un ritmo lento. [21] Los peces en desarrollo mostraron una menor tolerancia que sus contrapartes de peces adultos. [21]
Los partidarios del secuestro oceánico argumentan que, debido al tamaño del océano, las inyecciones de dióxido de carbono diluido no serán suficientes para crear un impacto real en los ecosistemas y que las especies pueden evolucionar a estos mayores niveles de dióxido de carbono con el tiempo. [2] No se ha investigado la capacidad de los organismos de aguas profundas para aclimatarse a la inyección de dióxido de carbono y la hipótesis de que evolucionarán con el tiempo carece de apoyo científico. [2] La investigación científica muestra que los sitios de inyección son espacialmente específicos y los ecosistemas que habitan el sitio de inyección pueden sufrir consecuencias inmediatas. [24] Las áreas afectadas experimentarán acidificación, debido al aumento de los niveles de bicarbonato, y a su vez una disminución de los niveles de carbonato de calcio. [24] Esto hará que los sedimentos y las conchas de los organismos se disuelvan más rápidamente. [2]
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