Un combustible neutro en carbono es aquel que no produce emisiones netas de gases de efecto invernadero ni huella de carbono . En la práctica, esto suele significar combustibles que se fabrican utilizando dióxido de carbono (CO2 ) como materia prima . Los combustibles neutros en carbono propuestos pueden agruparse en general en combustibles sintéticos , que se fabrican mediante la hidrogenación química del dióxido de carbono, y biocombustibles , que se producen mediante procesos naturales que consumen CO2, como la fotosíntesis . [1]
El dióxido de carbono utilizado para fabricar combustibles sintéticos puede capturarse directamente del aire , reciclarse a partir de los gases de escape de las centrales eléctricas o derivarse del ácido carbónico del agua de mar . Entre los ejemplos más comunes de combustibles sintéticos se incluyen el amoníaco y el metano [2] , aunque también se han sintetizado artificialmente con éxito hidrocarburos más complejos como la gasolina y el combustible para aviones [3] . Además de ser neutros en carbono, estos combustibles renovables pueden aliviar los costos y los problemas de dependencia de los combustibles fósiles importados sin requerir la electrificación de la flota de vehículos ni la conversión a hidrógeno u otros combustibles, lo que permite seguir teniendo vehículos compatibles y asequibles [4] . Para ser verdaderamente neutros en carbono, cualquier energía necesaria para el proceso debe ser en sí misma neutra en carbono o libre de emisiones, como la energía renovable o la energía nuclear [5] [6] [7] [8]
Si la combustión de combustibles neutros en carbono está sujeta a la captura de carbono en la chimenea, se produce una emisión neta negativa de dióxido de carbono y, por lo tanto, puede constituir una forma de remediación de los gases de efecto invernadero . Las emisiones negativas se consideran ampliamente un componente indispensable de los esfuerzos para limitar el calentamiento global, aunque las tecnologías de emisiones negativas actualmente no son económicamente viables para las empresas del sector privado. [9] Es probable que los créditos de carbono desempeñen un papel importante para los combustibles carbono-negativos. [10]
Los hidrocarburos sintéticos se pueden producir mediante reacciones químicas entre el dióxido de carbono, que se puede capturar en las centrales eléctricas o en el aire, y el hidrógeno . El combustible, a menudo denominado electrocombustible , almacena la energía que se utilizó en la producción del hidrógeno. [11]
El combustible de hidrógeno se prepara normalmente mediante la electrólisis del agua en un proceso de conversión de energía en gas . Para minimizar las emisiones, la electricidad se produce utilizando una fuente de energía de bajas emisiones, como la energía eólica , solar o nuclear . [12]
A través de la reacción de Sabatier se puede producir metano, que luego puede almacenarse para quemarse más tarde en plantas de energía (como gas natural sintético ), transportarse por tuberías, camiones o barcos cisterna, o usarse en procesos de gas a líquido como el proceso Fischer-Tropsch para fabricar combustibles tradicionales para transporte o calefacción. [4] [13] [14]
Existen algunos combustibles más que pueden crearse utilizando hidrógeno. Por ejemplo, el ácido fórmico puede obtenerse haciendo reaccionar el hidrógeno con CO2 . El ácido fórmico combinado con CO2 puede formar isobutanol . [15]
El metanol se puede obtener a partir de una reacción química de una molécula de dióxido de carbono con tres moléculas de hidrógeno para producir metanol y agua. La energía almacenada se puede recuperar quemando el metanol en un motor de combustión, lo que libera dióxido de carbono, agua y calor. El metano se puede producir en una reacción similar. Es importante tomar precauciones especiales contra las fugas de metano , ya que este último es casi 100 veces más potente que el CO 2 , en relación con el potencial de calentamiento global a 20 años . Se puede utilizar más energía para combinar metanol o metano en moléculas de combustible de hidrocarburos más grandes. [4]
Los investigadores también han sugerido el uso de metanol para producir éter dimetílico . Este combustible podría utilizarse como sustituto del combustible diésel debido a su capacidad de autoencenderse bajo alta presión y temperatura. Ya se está utilizando en algunas áreas para calefacción y generación de energía. No es tóxico, pero debe almacenarse bajo presión. [16] Los hidrocarburos más grandes [17] y el etanol [18] también se pueden producir a partir de dióxido de carbono e hidrógeno.
Todos los hidrocarburos sintéticos se producen generalmente a temperaturas de 200 a 300 °C y a presiones de 20 a 50 bares. Por lo general, se utilizan catalizadores para mejorar la eficiencia de la reacción y crear el tipo deseado de combustible de hidrocarburo. Estas reacciones son exotérmicas y utilizan alrededor de 3 moles de hidrógeno por mol de dióxido de carbono involucrado. También producen grandes cantidades de agua como subproducto. [5]
La fuente más económica de carbono para reciclar en combustible son las emisiones de gases de combustión de la combustión de combustibles fósiles , donde se puede obtener por unos 7,50 dólares estadounidenses por tonelada. [7] [19] [13] Sin embargo, esto no es carbono neutral, ya que el carbono es de origen fósil, por lo tanto, mueve carbono de la geosfera a la atmósfera. Dado que el ácido carbónico en el agua de mar está en equilibrio químico con el dióxido de carbono atmosférico, se ha estudiado la extracción de carbono del agua de mar. [20] [21] Los investigadores han estimado que la extracción de carbono del agua de mar costaría unos 50 dólares por tonelada. [8] La captura de carbono del aire ambiente es más costosa, entre 94 y 232 dólares por tonelada y se considera poco práctica para la síntesis de combustible o el secuestro de carbono. [22] La captura directa del aire está menos desarrollada que otros métodos. Las propuestas para este método implican el uso de una sustancia química cáustica para reaccionar con el dióxido de carbono en el aire para producir carbonatos . Estos pueden luego descomponerse e hidratarse para liberar gas CO2 puro y regenerar la sustancia química cáustica. Este proceso requiere más energía que otros métodos porque el dióxido de carbono se encuentra en concentraciones mucho más bajas en la atmósfera que en otras fuentes. [ 4]
Los investigadores también han sugerido el uso de biomasa como fuente de carbono para la producción de combustible. Añadir hidrógeno a la biomasa reduciría su carbono para producir combustible. Este método tiene la ventaja de utilizar materia vegetal para capturar dióxido de carbono de forma económica. Las plantas también añaden algo de energía química al combustible a partir de moléculas biológicas. Este puede ser un uso más eficiente de la biomasa que el biocombustible convencional porque utiliza la mayor parte del carbono y la energía química de la biomasa en lugar de liberar tanta energía y carbono. Su principal desventaja es que, al igual que ocurre con la producción convencional de etanol, compite con la producción de alimentos. [5]
La energía eólica nocturna se considera la forma más económica de energía eléctrica con la que sintetizar combustible, porque la curva de carga de la electricidad alcanza picos abruptos durante las horas más cálidas del día, pero el viento tiende a soplar ligeramente más por la noche que durante el día. Por lo tanto, el precio de la energía eólica nocturna suele ser mucho menos costoso que cualquier otra alternativa. Los precios de la energía eólica fuera de horas punta en las áreas de alta penetración eólica de los EE. UU. promediaron 1,64 centavos por kilovatio-hora en 2009, pero solo 0,71 centavos/kWh durante las seis horas más baratas del día. [4] Por lo general, la electricidad al por mayor cuesta entre 2 y 5 centavos/kWh durante el día. [23] Las empresas de síntesis de combustible comercial sugieren que pueden producir gasolina por menos que los combustibles derivados del petróleo cuando el petróleo cuesta más de 55 dólares por barril. [24]
En 2010, un equipo de químicos de procesos dirigido por Heather Willauer, de la Armada de los Estados Unidos, estimó que 100 megavatios de electricidad pueden producir 160 metros cúbicos (41.000 galones estadounidenses) de combustible para aviones por día y que la producción a bordo a partir de energía nuclear costaría alrededor de 1.600 dólares por metro cúbico (6 dólares por galón estadounidense). Si bien esa cifra era aproximadamente el doble del costo del combustible de petróleo en 2010, se espera que sea mucho menor que el precio de mercado en menos de cinco años si continúan las tendencias recientes. [ necesita actualización ] Además, dado que la entrega de combustible a un grupo de combate de portaaviones cuesta alrededor de 2.100 dólares por metro cúbico (8 dólares por galón estadounidense), la producción a bordo ya es mucho menos costosa. [25]
Willauer dijo que el agua de mar es la "mejor opción" como fuente de combustible sintético para aviones. [26] [27] En abril de 2014, el equipo de Willauer aún no había fabricado combustible con el estándar requerido por los aviones militares, [28] [29] pero en septiembre de 2013 pudieron usar el combustible para volar un modelo de avión controlado por radio propulsado por un motor de combustión interna de dos tiempos común. [30] Debido a que el proceso requiere una gran entrada de energía eléctrica, un primer paso plausible de implementación sería que los portaaviones estadounidenses de propulsión nuclear (la clase Nimitz y la clase Gerald R. Ford ) fabricaran su propio combustible para aviones. [31] Se espera que la Armada de los EE. UU. implemente la tecnología en algún momento de la década de 2020. [26]
En 2023, un estudio publicado por el Centro de Excelencia de Seguridad Energética de la OTAN concluyó que los combustibles electrónicos ofrecen una de las vías de descarbonización más prometedoras para la movilidad militar en los dominios terrestres, marítimos y aéreos. [32]
El Centro de Investigación de Energía Solar e Hidrógeno (ZSW) de Baden-Württemberg y la Sociedad Fraunhofer de Alemania construyeron una planta de síntesis de metano de 250 kilovatios que comenzó a funcionar en 2010. Se está ampliando a 10 megavatios y su finalización está prevista para el otoño de 2012. [33] [34]
La planta de reciclaje de dióxido de carbono George Olah (nombrada en honor a George Andrew Olah [35] ), operada por Carbon Recycling International en Grindavík , Islandia, ha estado produciendo 2 millones de litros de combustible de transporte de metanol por año a partir de los gases de escape de la central eléctrica de Svartsengi desde 2011. [36] Tiene capacidad para producir 5 millones de litros por año. [37]
Audi ha construido una planta de gas natural licuado (GNL) neutral en carbono en Werlte, Alemania . [38] La planta está destinada a producir combustible de transporte para compensar el GNL utilizado en sus automóviles A3 Sportback g-tron , y puede mantener 2.800 toneladas métricas de CO2 fuera del medio ambiente por año en su capacidad inicial. [39]
Zero , una empresa británica creada por el ex ingeniero de Fórmula 1 Paddy Lowe , ha desarrollado un proceso denominado «petrosíntesis» para desarrollar combustibles sintéticos a partir del dióxido de carbono atmosférico y el agua utilizando energía renovable. En 2022, comenzó a trabajar en una planta de producción de demostración [40] en Bicester Heritage, cerca de Oxford.
Se están llevando a cabo desarrollos comerciales en Columbia, Carolina del Sur , [41] Camarillo, California , [42] y Darlington, Inglaterra . [43] Un proyecto de demostración en Berkeley, California , propone sintetizar tanto combustibles como aceites alimentarios a partir de gases de combustión recuperados. [44]
Los combustibles neutros en carbono pueden conducir a la remediación de los gases de efecto invernadero porque el gas de dióxido de carbono se reutilizaría para producir combustible en lugar de liberarse a la atmósfera. La captura del dióxido de carbono en las emisiones de gases de combustión de las centrales eléctricas eliminaría sus emisiones de gases de efecto invernadero, aunque la quema del combustible en los vehículos liberaría ese carbono porque no hay una forma económica de capturar esas emisiones. [4] Este enfoque reduciría la emisión neta de dióxido de carbono en aproximadamente un 50% si se utilizara en todas las centrales eléctricas de combustibles fósiles. Se ha pronosticado que la mayoría de las centrales eléctricas de carbón y gas natural se podrían modernizar económicamente con depuradores de dióxido de carbono para la captura de carbono para reciclar los gases de combustión o para el secuestro de carbono . [45] [19] [46] Se espera que ese reciclaje no solo cueste menos que los impactos económicos excesivos del cambio climático si no se hiciera, sino que también se amortice a medida que el crecimiento de la demanda mundial de combustible y la escasez máxima de petróleo aumenten el precio del petróleo y el gas natural fungible . [47] [48]
La captura directa de CO2 del aire, conocida como captura directa de aire , o la extracción de ácido carbónico del agua de mar también reducirían la cantidad de dióxido de carbono en el medio ambiente y crearían un ciclo cerrado de carbono para eliminar nuevas emisiones de dióxido de carbono. [5] El uso de estos métodos eliminaría por completo la necesidad de combustibles fósiles, suponiendo que se pudiera generar suficiente energía renovable para producir el combustible. El uso de hidrocarburos sintéticos para producir materiales sintéticos como plásticos podría dar como resultado el secuestro permanente de carbono de la atmósfera. [4]
Algunas autoridades han recomendado producir metanol en lugar de combustibles tradicionales para el transporte. Es un líquido a temperaturas normales y puede ser tóxico si se ingiere. El metanol tiene un índice de octano más alto que la gasolina, pero una densidad energética más baja , y se puede mezclar con otros combustibles o utilizar por sí solo. También se puede utilizar en la producción de hidrocarburos y polímeros más complejos. El Laboratorio de Propulsión a Chorro de Caltech ha desarrollado celdas de combustible de metanol directo para convertir metanol y oxígeno en electricidad. [16] Es posible convertir metanol en gasolina, combustible para aviones u otros hidrocarburos, pero eso requiere energía adicional e instalaciones de producción más complejas. [4] El metanol es ligeramente más corrosivo que los combustibles tradicionales, y requiere modificaciones en los automóviles del orden de 100 dólares estadounidenses cada una para usarlo. [5] [49]
En 2016, se desarrolló un método que utiliza picos de carbono, nanopartículas de cobre y nitrógeno que convierte el dióxido de carbono en etanol . [50]
El combustible elaborado a partir de microalgas podría tener potencialmente una baja huella de carbono y es un área activa de investigación, aunque hasta la fecha no se ha comercializado ningún sistema de producción a gran escala. Las microalgas son organismos unicelulares acuáticos . Aunque, a diferencia de la mayoría de las plantas, tienen estructuras celulares extremadamente simples, siguen siendo fotoautotróficas , capaces de utilizar la energía solar para convertir el dióxido de carbono en carbohidratos y grasas mediante la fotosíntesis . Estos compuestos pueden servir como materias primas para biocombustibles como el bioetanol o el biodiésel . [51] Por lo tanto, aunque la combustión de combustible basado en microalgas para obtener energía seguiría produciendo emisiones como cualquier otro combustible, podría ser casi carbono neutral si, en conjunto, consumieran tanto dióxido de carbono como el que se emite durante la combustión.
Las ventajas de las microalgas son su mayor eficiencia de fijación de CO2 en comparación con la mayoría de las plantas [52] y su capacidad de prosperar en una amplia variedad de hábitats acuáticos. [53] Su principal desventaja es su alto costo. Se ha argumentado que sus composiciones químicas únicas y altamente variables pueden hacerlas atractivas para aplicaciones específicas. [51]
Las microalgas también pueden utilizarse como alimento para el ganado debido a sus proteínas. Además, algunas especies de microalgas producen compuestos valiosos como pigmentos y productos farmacéuticos. [54]
Dos formas principales de cultivar microalgas son los sistemas de estanques raceway y los fotobiorreactores. Los sistemas de estanques raceway están construidos con un canal ovalado de circuito cerrado que tiene una rueda de paletas para hacer circular el agua y evitar la sedimentación. El canal está abierto al aire y su profundidad está en el rango de 0,25 a 0,4 m (0,82 a 1,31 pies). [51] El estanque debe mantenerse poco profundo ya que el sombreado propio y la absorción óptica pueden limitar la penetración de la luz a través de la solución de caldo de algas. El medio de cultivo de PBR está construido con una matriz de tubos transparentes cerrados. Tiene un depósito central por el que circula el caldo de microalgas. PBR es un sistema más fácil de controlar en comparación con el sistema de estanque raceway, pero tiene un mayor costo general de producción. [ cita requerida ]
Las emisiones de carbono de la biomasa de microalgas producida en estanques de raceway podrían compararse con las emisiones del biodiesel convencional al tener insumos de energía y nutrientes que son intensivos en carbono . Las emisiones correspondientes de la biomasa de microalgas producida en PBR también podrían compararse e incluso podrían superar las emisiones del diésel fósil convencional. La ineficiencia se debe a la cantidad de electricidad utilizada para bombear el caldo de algas por el sistema. El uso de coproductos para generar electricidad es una estrategia que podría mejorar el balance general de carbono. Otra cosa que debe reconocerse es que los impactos ambientales también pueden provenir de la gestión del agua, el manejo del dióxido de carbono y el suministro de nutrientes, varios aspectos que podrían limitar el diseño del sistema y las opciones de implementación. Pero, en general, los sistemas de estanques de raceway demuestran un balance energético más atractivo que los sistemas PBR. [ cita requerida ]
El costo de producción de biocombustibles de microalgas mediante la implementación de sistemas de estanques raceway está dominado por el costo operativo que incluye mano de obra, materias primas y servicios públicos. En el sistema de estanques raceway, durante el proceso de cultivo, la electricidad ocupa la fracción energética más grande de los requisitos totales de energía operativa. Se utiliza para hacer circular los cultivos de microalgas. Ocupa una fracción de energía que varía entre el 22% y el 79%. [51] En contraste, el costo de capital domina el costo de producción de biocombustibles de microalgas en PBR. Este sistema tiene un alto costo de instalación, aunque el costo operativo es relativamente más bajo que los sistemas de estanques raceway. [ cita requerida ]
La producción de biocombustibles a partir de microalgas cuesta más dinero que la producción de combustibles fósiles. El costo estimado de producción de biocombustibles a partir de microalgas es de alrededor de 3,1 dólares por litro (11,57 dólares por galón estadounidense), [55] lo que es considerablemente más caro que la gasolina convencional. Sin embargo, en comparación con la electrificación de la flota de vehículos, una ventaja clave de este biocombustible es que evita la costosa distribución de grandes cantidades de energía eléctrica (como la que se requiere para convertir las flotas de vehículos existentes a la tecnología eléctrica de baterías), lo que permite la reutilización de la infraestructura de transporte de combustible líquido existente. Los biocombustibles como el etanol también son mucho más densos en energía que las tecnologías de baterías actuales (aproximadamente 6 veces más [56] ), lo que promueve aún más su viabilidad económica.
La construcción de instalaciones de cultivo de microalgas a gran escala provocaría inevitablemente impactos ambientales negativos relacionados con el cambio de uso de la tierra , como la destrucción de hábitats naturales existentes. Las microalgas también pueden, en determinadas condiciones, emitir gases de efecto invernadero, como metano u óxido nitroso , o gases malolientes, como sulfuro de hidrógeno , aunque esto no ha sido ampliamente estudiado hasta la fecha. Si se gestionan mal, las toxinas producidas naturalmente por las microalgas pueden filtrarse al suelo o al agua subterránea circundante. [57]
El agua se somete a electrólisis a altas temperaturas para formar gas hidrógeno y gas oxígeno. La energía para realizar esto se extrae de fuentes renovables como la energía eólica. Luego, el hidrógeno reacciona con dióxido de carbono comprimido capturado por captura directa de aire . La reacción produce crudo azul que consiste en hidrocarburos. Luego, el crudo azul se refina para producir E-diesel de alta eficiencia. [58] [59] Sin embargo, este método aún es discutible porque con la capacidad de producción actual solo puede producir 3.000 litros en unos pocos meses, el 0,0002% de la producción diaria de combustible en los EE. UU. [60] Además, se ha cuestionado la viabilidad termodinámica y económica de esta tecnología. Un artículo sugiere que esta tecnología no crea una alternativa al combustible fósil, sino que convierte la energía renovable en combustible líquido. El artículo también afirma que el retorno energético de la energía invertida utilizando diésel fósil es 18 veces mayor que el del e-diesel. [61]
La investigación de combustibles neutros en carbono se ha llevado a cabo durante décadas. Un informe de 1965 sugirió sintetizar metanol a partir del dióxido de carbono del aire utilizando energía nuclear para un depósito de combustible móvil. [62] La producción a bordo de combustible sintético utilizando energía nuclear se estudió en 1977 y 1995. [63] [64] [65] Un informe de 1984 estudió la recuperación de dióxido de carbono de plantas de combustibles fósiles. [66] Un informe de 1995 comparó la conversión de flotas de vehículos para el uso de metanol neutro en carbono con la síntesis adicional de gasolina . [49]
