El combustible neutro en carbono es un combustible 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 (CO 2 ) como materia prima . Los combustibles neutros en carbono propuestos se pueden agrupar en términos generales en combustibles sintéticos , que se obtienen mediante la hidrogenación química de dióxido de carbono, y biocombustibles , que se producen mediante procesos naturales que consumen CO 2 , como la fotosíntesis . [1]
El dióxido de carbono utilizado para fabricar combustibles sintéticos puede capturarse directamente del aire , reciclarse de los gases de escape de las centrales eléctricas o derivarse del ácido carbónico del agua de mar . Ejemplos comunes de combustibles sintéticos 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 electrificación de la flota de vehículos ni conversión a hidrógeno u otros combustibles, lo que permite seguir teniendo vehículos compatibles y asequibles. [4] Para ser verdaderamente neutral en carbono, cualquier energía requerida para el proceso debe ser en sí misma neutral 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, resultan en emisiones netas negativas de dióxido de carbono y, por lo tanto, pueden constituir una forma de remediación de 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 con emisiones negativas de carbono. [10]
Los hidrocarburos sintéticos se pueden producir en reacciones químicas entre el dióxido de carbono, que puede capturarse de las centrales eléctricas o del aire, y el hidrógeno . El combustible, a menudo denominado electrocombustible , almacena la energía que se utilizó en la producción de hidrógeno. [11]
El combustible de hidrógeno generalmente se prepara mediante electrólisis de agua en un proceso de conversión de energía a 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 ductos, camiones o buques cisterna, o usarse en procesos de conversión de gas a líquido, como la conversión de gases a líquidos. Proceso Fischer-Tropsch para fabricar combustibles tradicionales para transporte o calefacción. [4] [13] [14]
Hay algunos combustibles más que se pueden crear utilizando hidrógeno. El ácido fórmico, por ejemplo, se puede preparar haciendo reaccionar el hidrógeno con CO2 . El ácido fórmico combinado con CO 2 puede formar isobutanol . [15]
El metanol se puede producir 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, liberando 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 el metano es casi 100 veces más potente que el CO 2 , en relación con el potencial de calentamiento global de 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 utilizar metanol para producir éter dimetílico . Este combustible podría usarse como sustituto del combustible diesel debido a su capacidad de autoinflamarse a alta presión y temperatura. Ya se utiliza en algunas zonas para calefacción y generación de energía. No es tóxico, pero debe almacenarse bajo presión. [16] A partir de dióxido de carbono e hidrógeno también se pueden producir hidrocarburos de mayor tamaño [17] y etanol [18] .
Todos los hidrocarburos sintéticos se producen generalmente a temperaturas de 200 a 300 °C y a presiones de 20 a 50 bar. Los catalizadores se suelen utilizar para mejorar la eficiencia de la reacción y crear el tipo deseado de combustible de hidrocarburos. Estas reacciones son exotérmicas y utilizan aproximadamente 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 reciclarlo y convertirlo en combustible son las emisiones de gases de combustión procedentes de la quema de combustibles fósiles, donde se puede obtener por unos 7,50 dólares EE.UU. por tonelada. [7] [19] [13] Sin embargo, esto no es carbono neutral, ya que el carbono es de origen fósil, por lo que mueve carbono de la geosfera a la atmósfera. Dado que el ácido carbónico del 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 alrededor de 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 de 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 y producir carbonatos . Luego estos pueden descomponerse e hidratarse para liberar gas CO 2 puro y regenerar el químico cáustico. 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 utilizar biomasa como fuente de carbono para la producción de combustible. Agregar 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 procedente 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 para sintetizar combustible, porque la curva de carga de electricidad alcanza su punto máximo durante las horas más cálidas del día, pero el viento tiende a soplar un poco más por la noche que durante el día. Por tanto, el precio de la energía eólica nocturna suele ser mucho menos costoso que el de cualquier alternativa. Los precios de la energía eólica fuera de las horas pico en áreas de alta penetración eólica de Estados Unidos promediaron 1,64 centavos por kilovatio-hora en 2009, pero sólo 0,71 centavos/kWh durante las seis horas menos costosas del día. [4] Normalmente, la electricidad al por mayor cuesta entre 2 y 5 céntimos/kWh durante el día. [23] Las empresas comerciales de síntesis de combustible 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 Marina de los EE. UU. estimó que 100 megavatios de electricidad pueden producir 160 metros cúbicos (41.000 galones estadounidenses) de combustible para aviones por día y la producción a bordo de energía nuclear costaría alrededor de 1.600 dólares por metro cúbico. metro ($6/gal EE.UU.). Si bien eso fue 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 batalla 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 producido combustible al 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 común de dos tiempos. [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 ) fabriquen su propio combustible para aviones. [31] Se espera que la Marina 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 en 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 ámbitos terrestre, marítimo y aéreo. [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 otoño de 2012. [ 33] [34]
La planta de reciclaje de dióxido de carbono George Olah operada por Carbon Recycling International en Grindavík , Islandia, ha estado produciendo 2 millones de litros de metanol como combustible para el transporte por año a partir de los gases de escape de la central eléctrica de Svartsengi desde 2011. [35] Tiene capacidad para producir 5 millones de litros al año. [36]
Audi ha construido una planta de gas natural licuado (GNL) neutra en carbono en Werlte, Alemania . [37] 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 CO 2 fuera del medio ambiente por año en su capacidad inicial. [38]
Zero , una empresa británica creada por el ex ingeniero de F1 Paddy Lowe , ha desarrollado un proceso que denomina "petrosíntesis" para desarrollar combustibles sintéticos a partir de dióxido de carbono atmosférico y agua utilizando energía renovable. En 2022 comenzó a trabajar en una planta de producción de demostración [39] en Bicester Heritage, cerca de Oxford.
Se están llevando a cabo desarrollos comerciales en Columbia, Carolina del Sur , [40] Camarillo, California , [41] y Darlington, Inglaterra . [42] Un proyecto de demostración en Berkeley, California , propone sintetizar combustibles y aceites alimentarios a partir de gases de combustión recuperados. [43]
Los combustibles neutros en carbono pueden conducir a la remediación de los gases de efecto invernadero porque el gas dióxido de carbono se reutilizaría para producir combustible en lugar de liberarse a la atmósfera. Captar el dióxido de carbono de las emisiones de gases de combustión de las centrales eléctricas eliminaría sus emisiones de gases de efecto invernadero, aunque quemar el combustible en vehículos liberaría ese carbono porque no existe una forma económica de capturar esas emisiones. [4] Este enfoque reduciría las emisiones netas 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 serán económicamente adaptables con depuradores de dióxido de carbono para capturar carbono y reciclar los gases de escape o para secuestrar carbono . [44] [19] [45] Se espera que dicho reciclaje no sólo cueste menos que los impactos económicos excesivos del cambio climático si no se hiciera, sino que también se pague por sí solo a medida que el crecimiento de la demanda mundial de combustible y el pico de escasez de petróleo aumenten el precio. de petróleo y gas natural fungible . [46] [47]
Capturar CO 2 directamente del aire, conocido como captura directa de aire , o extraer ácido carbónico del agua de mar también reduciría la cantidad de dióxido de carbono en el medio ambiente y crearía 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 los 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 resultar tóxico si se ingiere. El metanol tiene un octanaje más alto que la gasolina pero una densidad energética más baja y puede mezclarse con otros combustibles o usarse solo. También se puede utilizar en la producción de hidrocarburos y polímeros más complejos. El Laboratorio de Propulsión a Chorro de Caltech ha desarrollado pilas de combustible de metanol directo para convertir metanol y oxígeno en electricidad. [16] Es posible convertir el 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 cada uno para utilizarlo. [5] [48]
En 2016, se desarrolló un método que utiliza picos de carbono, nanopartículas de cobre y nitrógeno que convierte el dióxido de carbono en etanol . [49]
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 fotoautótrofas , capaces de utilizar la energía solar para convertir el dióxido de carbono en carbohidratos y grasas mediante la fotosíntesis . Estos compuestos pueden servir como materia prima para biocombustibles como el bioetanol o el biodiesel . [50] Por lo tanto, aunque la quema de combustible a base de microalgas para obtener energía aún produciría emisiones como cualquier otro combustible, podría ser casi neutral en carbono 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 CO 2 en comparación con la mayoría de las plantas [51] y su capacidad para prosperar en una amplia variedad de hábitats acuáticos. [52] Su principal desventaja es su alto costo. Se ha argumentado que sus composiciones químicas únicas y altamente variables pueden hacerlo atractivo para aplicaciones específicas. [50]
Las microalgas también se pueden utilizar como alimento para el ganado debido a sus proteínas. Es más, algunas especies de microalgas producen compuestos valiosos como pigmentos y productos farmacéuticos. [53]
Dos formas principales de cultivar microalgas son los sistemas de estanques con canales y los fotobiorreactores. Los sistemas de estanques de canalización están construidos mediante 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). [50] El estanque debe mantenerse poco profundo, ya que la autosombra 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 mediante una serie de tubos transparentes cerrados. Dispone de un depósito central por el que circula el caldo de microalgas. Los PBR son un sistema más fácil de controlar en comparación con el sistema de estanques de canalización, pero conlleva mayores gastos generales de producción. [ cita necesaria ]
Las emisiones de carbono de la biomasa de microalgas producidas en estanques de carreras podrían compararse con las emisiones del biodiesel convencional al tener aportes de energía y nutrientes intensivos en carbono . Las emisiones correspondientes de la biomasa de microalgas producida en PBR también podrían compararse e incluso 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 equilibrio general de carbono. Otra cosa que es necesario reconocer 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 Raceway Pond demuestran un equilibrio energético más atractivo que los sistemas PBR. [ cita necesaria ]
El costo de producción de microalgas-biocombustible mediante la implementación de sistemas de estanques de carreras está dominado por el costo operativo que incluye mano de obra, materias primas y servicios públicos. En el sistema de estanques de canalización, durante el proceso de cultivo, la electricidad ocupa la mayor fracción de energía del total de los requisitos energéticos operativos. Se utiliza para hacer circular los cultivos de microalgas. Consume una fracción energética que oscila entre el 22% y el 79%. [50] Por el contrario, el costo de capital domina el costo de producción de biocombustibles de microalgas en los PBR. Este sistema tiene un alto costo de instalación, aunque el costo operativo es relativamente menor que los sistemas de estanques con canales. [ cita necesaria ]
La producción de microalgas y biocombustibles cuesta una mayor cantidad de dinero en comparación con la producción de combustibles fósiles. El costo estimado de producir biocombustible de microalgas es de alrededor de $3,1 por litro ($11,57/gal estadounidense), [54] 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 tipo de biocombustibles es que evita la costosa distribución de grandes cantidades de energía eléctrica (como se requiere para convertir las flotas de vehículos existentes a la tecnología eléctrica de batería), lo que permite la re -uso de la infraestructura de transporte de combustibles líquidos existente. Los biocombustibles como el etanol también son mucho más densos en energía que las tecnologías de baterías actuales (aproximadamente 6 veces más [55] ), lo que promueve aún más su viabilidad económica.
La construcción de instalaciones de cultivo de microalgas a gran escala resultaría inevitablemente en impactos ambientales negativos relacionados con el cambio de uso de la tierra , como la destrucción de los hábitats naturales existentes. Las microalgas también pueden, en determinadas condiciones, emitir gases de efecto invernadero, como el metano o el óxido nitroso , o gases malolientes, como el sulfuro de hidrógeno , aunque esto no ha sido ampliamente estudiado hasta la fecha. Si no se gestionan correctamente, las toxinas producidas naturalmente por las microalgas pueden filtrarse al suelo circundante o al agua subterránea. [56]
El agua sufre electrólisis a altas temperaturas para formar gas hidrógeno y oxígeno. La energía para realizar esto se extrae de fuentes renovables como la energía eólica. Luego, el hidrógeno se hace reaccionar con dióxido de carbono comprimido capturado mediante captura directa de aire . La reacción produce un crudo azul que consiste en hidrocarburos. Luego, el crudo azul se refina para producir E-diesel de alta eficiencia. [57] [58] Sin embargo, este método sigue siendo discutible porque con la capacidad de producción actual sólo puede producir 3.000 litros en unos pocos meses, el 0,0002% de la producción diaria de combustible en los EE.UU. [59] Además, se ha cuestionado la viabilidad termodinámica y económica de esta tecnología. Un artículo sugiere que esta tecnología no crea una alternativa a los combustibles fósiles sino que convierte la energía renovable en combustible líquido. El artículo también afirma que el retorno energético de la energía invertida con diésel fósil es 18 veces mayor que el del e-diesel. [60]
La investigación sobre combustibles neutros en carbono lleva décadas en marcha. Un informe de 1965 sugirió sintetizar metanol a partir de dióxido de carbono en el aire utilizando energía nuclear para un depósito móvil de combustible. [61] La producción a bordo de combustible sintético utilizando energía nuclear se estudió en 1977 y 1995. [62] [63] [64] Un informe de 1984 estudió la recuperación de dióxido de carbono de plantas de combustibles fósiles. [65] 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 . [48]
