El secuestro biológico de carbono es un proceso que ocurre de forma natural como parte del ciclo del carbono . Los seres humanos pueden mejorarlo mediante acciones deliberadas y el uso de tecnología. El dióxido de carbono ( CO 2) se captura de forma natural de la atmósfera mediante procesos biológicos, químicos y físicos. Estos procesos se pueden acelerar, por ejemplo, mediante cambios en el uso de la tierra y las prácticas agrícolas, lo que se denomina agricultura de carbono . También se han ideado procesos artificiales para producir efectos similares. Este enfoque se denomina 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 lecho marino.
Las plantas, como los bosques y los bancos de algas , absorben dióxido de carbono del aire a medida que crecen y lo unen para formar biomasa. Sin embargo, estos depósitos biológicos pueden ser sumideros temporales de carbono , ya que no se puede garantizar su captura a largo plazo. Los incendios forestales , las enfermedades, las presiones económicas y los cambios en las prioridades políticas pueden liberar el carbono capturado de nuevo a la atmósfera. [4]
El dióxido de carbono que se ha extraído de la atmósfera también se puede almacenar en la corteza terrestre inyectándolo bajo tierra o en forma de sales de carbonato insolubles . Este último proceso se denomina secuestro mineral . Estos métodos se consideran no volátiles porque no solo 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 los ácidos. [5] Sin embargo, hasta ahora ninguna ha logrado una aplicación a gran escala. El cultivo de algas a gran escala , por otro lado, es un proceso biológico y podría secuestrar cantidades significativas de carbono. [6] El crecimiento potencial de las algas marinas para el cultivo de carbono haría que las algas cosechadas se transportaran a las profundidades del océano para su enterramiento a largo plazo. [7] El Informe Especial del IPCC sobre el Océano y la Criosfera en un Clima Cambiante recomienda "una mayor atención a la investigación" sobre el cultivo de algas marinas como una táctica de mitigación. [8]
Terminología
El término secuestro de carbono se utiliza de diferentes maneras en la literatura y los medios de comunicación. El Sexto Informe de Evaluación del IPCC lo define como "el proceso de almacenar carbono en un depósito de carbono". [9] : 2248 Posteriormente, un depósito 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] Por lo tanto, la diferencia entre el secuestro de carbono y la captura y almacenamiento de carbono (CCS) a veces se difumina en los medios. [ cita requerida ] El IPCC, sin embargo, define la CCS como "un proceso en el que una corriente relativamente pura de dióxido de carbono (CO 2 ) procedente de fuentes industriales se separa, se trata y se transporta a un lugar de almacenamiento a largo plazo". [10] : 2221
Las plantas, como los bosques y los bancos 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 captura a largo plazo. Eventos como incendios forestales o enfermedades, presiones económicas y cambios en las prioridades políticas pueden hacer que el carbono capturado se libere nuevamente a la atmósfera. [11]
En la mitigación del cambio climático y las políticas
El secuestro de carbono, cuando se aplica para mitigar el cambio climático, puede basarse en la mejora del secuestro de carbono que se produce de forma natural o utilizar tecnología para los procesos de secuestro de carbono. [ necesita edición de copia ]
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 las formaciones salinas y los yacimientos de gas agotado), y el almacenamiento sólido mediante la reacción del CO2 con óxidos metálicos para producir carbonatos estables . [13]
Para que el carbono pueda secuestrarse artificialmente (es decir, sin utilizar los procesos naturales del ciclo del carbono), primero debe capturarse, o debe retrasarse o evitarse significativamente su liberación a la atmósfera (por combustión, descomposición, etc.) a partir de un material rico en carbono existente, incorporándolo a un uso duradero (como en la construcción). [ necesita copia editada ] Luego puede almacenarse pasivamente o seguir utilizándose productivamente a lo largo del tiempo de diversas formas. Por ejemplo, tras la 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] En la producción industrial, los ingenieros suelen capturar dióxido de carbono de las emisiones de las centrales eléctricas o las fábricas.
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 enfrentar la crisis climática") de 2021 incluye varias menciones al secuestro de carbono mediante la conservación y restauración de ecosistemas de sumideros de carbono, como humedales y bosques. El documento enfatiza la importancia de los agricultores, los terratenientes y las comunidades costeras en el secuestro de carbono. Ordena al Departamento del Tesoro promover la conservación de los 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, un gas atmosférico de efecto invernadero, mediante procesos biológicos continuos [ contradictorios ] o mejorados. Esta forma de secuestro de carbono se produce a través de mayores tasas de fotosíntesis mediante 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] [20] [21]
Silvicultura
Proporción de las reservas de carbono en los depósitos de carbono de los bosques, 2020 [22]
Una consideración importante en tales esfuerzos es que los bosques pueden pasar de ser sumideros a ser fuentes de carbono. [25] [26] [27] En 2019, los bosques absorbieron un tercio menos de carbono que en la década de 1990, debido a las temperaturas más altas, las sequías [28] y la deforestación . El bosque tropical típico puede convertirse en una fuente de carbono para la década de 2060. [29]
Los investigadores han descubierto que, en términos de servicios ambientales, es mejor evitar la deforestación que permitir la deforestación para luego reforestar, ya que lo primero lleva a efectos irreversibles en términos de pérdida de biodiversidad y degradación del suelo . [30] Además, la probabilidad de que el carbono heredado se libere del suelo es mayor en los bosques boreales más jóvenes. [31] Las emisiones globales de gases de efecto invernadero causadas por el daño a las selvas tropicales pueden haber sido subestimadas sustancialmente hasta alrededor de 2019. [32] Además, los efectos de la forestación y la reforestación serán más lejanos en el futuro que mantener intactos los bosques existentes. [33] 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 lo tanto, de la limitación de la deforestación. [34] Por lo tanto, los científicos consideran que "la protección y recuperación de ecosistemas ricos en carbono y de larga vida, especialmente los bosques naturales" es "la principal solución climática ". [35]
La plantación de árboles en tierras marginales de cultivo y pastoreo ayuda a incorporar carbono del CO atmosférico. 2en biomasa . [36] [37] Para que este proceso de secuestro de carbono tenga éxito, el carbono no debe regresar a la atmósfera desde la quema o putrefacción de la biomasa cuando los árboles mueren. [38] Para este fin, la tierra asignada a los árboles no debe convertirse en otros usos. Alternativamente, la madera de ellos debe ser secuestrada, por ejemplo, a través de biocarbón , bioenergía con captura y almacenamiento de carbono , vertedero o almacenada mediante su uso en la construcción.
La Tierra ofrece suficiente espacio para plantar 0,9 mil millones de ha adicionales de cubierta arbórea, aunque esta estimación ha sido criticada, [39] [40] y el área real que tiene un efecto neto de enfriamiento en el clima cuando se tienen en cuenta las retroalimentaciones biofísicas como el albedo es un 20-80% menor. [41] [42] Plantar y proteger estos árboles secuestraría 205 mil millones de toneladas de carbono si los árboles sobreviven al estrés climático futuro para alcanzar la madurez. [43] [42] Para poner este número en perspectiva, esto es aproximadamente 20 años de emisiones globales de carbono actuales (a partir de 2019). [44] Este nivel de secuestro representaría aproximadamente el 25% del depósito de carbono de la atmósfera en 2019. [42]
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 con frecuentes incendios de reemplazo de rodales. Los bosques que se cosechan antes de los eventos de reemplazo de rodales permiten la retención de carbono en productos forestales manufacturados como la madera . [45] Sin embargo, solo una parte del carbono eliminado de los bosques talados termina en bienes duraderos y edificios. El resto termina como subproductos de aserraderos como pulpa, papel y paletas. [46] Si todas las nuevas construcciones a nivel mundial utilizaran un 90% de productos de madera, en gran parte a través de la adopción de madera en masa en construcciones de poca altura , esto podría secuestrar 700 millones de toneladas netas de carbono por año. [47] [48] Esto se suma a la eliminación de las emisiones de carbono del material de construcción reemplazado, como el acero o el hormigón, que son intensos en carbono para producir.
Un metaanálisis concluyó que las plantaciones de especies mixtas aumentarían el almacenamiento de carbono junto con otros beneficios de la diversificación de 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 potencial significativo de secuestro de carbono. [49]
El Sexto Informe de Evaluación del IPCC dice: “La regeneración forestal secundaria 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 alta resiliencia a las perturbaciones y beneficios adicionales como una mayor biodiversidad”. [51] [52]
Los impactos sobre la temperatura se ven afectados por la ubicación del bosque. Por ejemplo, la reforestación en regiones boreales o subárticas tiene un menor impacto en el clima. Esto se debe a que sustituye una región dominada por la nieve y con un albedo alto por un dosel forestal con un albedo más bajo. Por el contrario, los proyectos de reforestación tropical conducen a un cambio positivo, como la formación de nubes . Estas nubes luego reflejan la luz solar , lo que reduce las temperaturas. [53] : 1457
La plantación de árboles en climas tropicales con estaciones húmedas tiene otra ventaja. En un entorno así, 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 climas no tropicales. Un estudio de la circunferencia de 70.000 árboles en toda África ha demostrado que los bosques tropicales fijan más contaminación de 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 en África, la Amazonia y Asia . Simon Lewis afirmó: "Los árboles de los bosques tropicales absorben alrededor del 18% del dióxido de carbono que se agrega a la atmósfera cada año por la quema de combustibles fósiles, lo que amortigua sustancialmente la tasa de cambio". [54] [ fuente obsoleta ]
Humedales
Un ecosistema de humedales saludable
Distribución global del carbono azul (vegetación enraizada en la zona costera): marismas, manglares y pastos marinos. [55]
La restauración de humedales implica restaurar las funciones biológicas, geológicas y químicas naturales de un humedal a través del restablecimiento o la rehabilitación. [56] Es una buena manera de reducir el cambio climático. [57] El suelo de los humedales, particularmente en humedales costeros como manglares , pastos marinos y marismas , [57] es un importante reservorio de carbono; entre el 20 y el 30 % del carbono del suelo del mundo se encuentra en humedales, mientras que solo entre el 5 y el 8 % de la tierra del mundo está compuesta por humedales. [58] Los estudios han demostrado que los humedales restaurados pueden convertirse en sumideros productivos de CO 2 [59] [60] [61] y muchos están siendo restaurados. [62] [63] Además de los beneficios climáticos, la restauración y conservación de humedales pueden ayudar a preservar la biodiversidad, mejorar la calidad del agua y ayudar con el control de inundaciones . [64]
Las plantas que forman los humedales absorben dióxido de carbono (CO2 ) de la atmósfera y lo convierten en materia orgánica. La naturaleza anegada del suelo ralentiza la descomposición de la materia orgánica, lo que conduce a la acumulación de sedimentos ricos en carbono, [ aclaración necesaria ] que actúan como un sumidero de carbono a largo plazo . [65] [66] Además, las condiciones anaeróbicas en suelos anegados impiden la descomposición completa de la materia orgánica, lo que promueve la conversión del carbono en formas más estables. [66] [ necesita una copia editada ]
Al igual que en el caso de los bosques, para que el proceso de secuestro tenga éxito, el humedal debe permanecer inalterado. Si se lo altera, el carbono almacenado en las plantas y los sedimentos se liberará de nuevo a la atmósfera y el ecosistema dejará de funcionar como sumidero de carbono. [67] Además, algunos humedales pueden liberar gases de efecto invernadero distintos del CO2 , como el metano [68] y el óxido nitroso [69], que podrían contrarrestar los posibles beneficios climáticos. Las cantidades de carbono secuestrado a través del carbono azul por los humedales también pueden ser difíciles de medir. [64]
Los humedales son un importante sumidero de carbono : el 14,5% del carbono del suelo del mundo se encuentra en humedales, mientras que solo el 5,5% de la tierra del mundo está compuesta por humedales. [70] Los humedales no solo son un gran sumidero de carbono, sino que también tienen muchos otros beneficios, como recolectar agua de inundaciones, filtrar contaminantes del aire y del agua y crear un hogar para numerosas aves, peces, insectos y plantas. [71]
El cambio climático podría alterar el almacenamiento de carbono del suelo de los humedales, transformándolos de un sumidero a una fuente. [72] [ fuente obsoleta ] Con el aumento de las temperaturas se produce un aumento de los gases de efecto invernadero de los humedales, especialmente de los lugares con permafrost . Cuando este permafrost se derrite, aumenta el oxígeno y el agua disponibles en el suelo. [72] Debido a esto, las bacterias en el suelo crearían grandes cantidades de dióxido de carbono y metano que se liberarían a la atmósfera. [72] [ fuente obsoleta ]
Aún no se conoce con exactitud el vínculo entre el cambio climático y los humedales. [72] [ fuente obsoleta ] Tampoco está claro cómo los humedales restaurados gestionan el carbono y al mismo tiempo siguen siendo una fuente de metano. Sin embargo, la preservación de estas áreas ayudaría a prevenir una mayor liberación de carbono a la atmósfera. [73]
Turberas, ciénagas y turberas
A pesar de ocupar solo el 3% de la superficie terrestre mundial, las turberas contienen aproximadamente el 30% del carbono de nuestro ecosistema, el doble de la cantidad almacenada en los bosques del mundo. [73] [74] La mayoría de las turberas están situadas en zonas de alta latitud del hemisferio norte, y la mayor parte de su crecimiento se produjo desde la última edad de hielo , [75] pero también se encuentran en regiones tropicales, como la Amazonia y la cuenca del Congo. [76]
Las turberas crecen de manera constante durante miles de años, acumulando material vegetal muerto –y el carbono que contiene– debido a las condiciones de anegamiento que reducen enormemente las tasas de descomposición. [75] Si se drenan las turberas para la agricultura o el desarrollo, el material vegetal almacenado en ellas se descompone rápidamente, liberando el carbono almacenado. Estas turberas degradadas representan entre el 5 y el 10% de las emisiones globales de carbono derivadas de las actividades humanas. [75] [77] La pérdida de una turbera podría producir potencialmente más carbono que 175 a 500 años de emisiones de metano . [72]
Por lo tanto, la protección y restauración de las turberas son medidas importantes para mitigar las emisiones de carbono y también brindan beneficios para la biodiversidad, [77] el suministro de agua dulce y la reducción del riesgo de inundaciones. [78]
En comparación con la vegetación natural, los suelos de cultivo se ven empobrecidos en carbono orgánico del suelo (SOC). Cuando el suelo se transforma a partir de tierras naturales o seminaturales, como bosques, tierras boscosas, pastizales, estepas y sabanas, el contenido de SOC en el suelo se reduce en un 30-40 %. [79] 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 el clima variable [ aclaración necesaria ] . [80]
La disminución del contenido de SOC se puede contrarrestar aumentando el aporte de carbono. Esto se puede hacer con varias estrategias, por ejemplo, dejando los residuos de la cosecha en el campo, utilizando estiércol como fertilizante o incluyendo cultivos perennes en la rotación. Los cultivos perennes tienen una fracción de biomasa subterránea mayor, lo que aumenta el contenido de SOC. [79]
Los cultivos perennes reducen la necesidad de labranza y, por lo tanto, ayudan a mitigar la erosión del suelo y pueden contribuir a aumentar la materia orgánica del mismo. A nivel mundial, se estima que los suelos contienen más de 8.580 gigatoneladas de carbono orgánico, aproximadamente diez veces la cantidad presente en la atmósfera y mucho más que en la vegetación. [81]
Los investigadores han descubierto que el aumento de las temperaturas puede provocar un aumento de la población de microbios del suelo, que convierten el carbono almacenado en dióxido de carbono. En experimentos de laboratorio en los que se calentó el suelo, los suelos ricos en hongos liberaron menos dióxido de carbono que otros suelos. [82]
Tras la absorción de dióxido de carbono (CO 2 ) de la atmósfera, las plantas depositan materia orgánica en el suelo. [24] Esta materia orgánica, derivada de la descomposición del material vegetal y de los sistemas radiculares, 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 en forma de humus , un proceso conocido como humificación . [83]
A nivel mundial, se estima que el suelo contiene alrededor de 2.500 gigatoneladas de carbono. [ contradictorio ] Esto es más de tres veces el carbono encontrado en la atmósfera y cuatro veces el encontrado en plantas y animales vivos. [84] Alrededor del 70% del carbono orgánico del suelo global en áreas sin permafrost se encuentra en el suelo más profundo dentro del metro superior y está estabilizado por asociaciones minerales-orgánicas. [85]
Agricultura de carbono
La agricultura 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 de la agricultura de carbono es crear una pérdida neta de carbono de la atmósfera. [86] Esto se hace aumentando la tasa 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 [87] y reducir el uso de fertilizantes . [88] La gestión forestal sostenible es otra herramienta que se utiliza en la agricultura de carbono. [89] La agricultura 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 pueden tener costos adicionales. Algunos países tienen políticas gubernamentales que dan incentivos financieros a los agricultores para que utilicen métodos de cultivo de carbono. [90] A partir de 2016, las variantes de cultivo de carbono alcanzaron cientos de millones de hectáreas a nivel mundial, de los casi 5 mil millones de hectáreas (1,2 × 10 10 acres) de tierras agrícolas del mundo. [91] El cultivo de carbono tiene algunas desventajas porque algunos de sus métodos pueden afectar los servicios ecosistémicos . Por ejemplo, el cultivo de carbono podría causar un aumento de la tala de tierras, los monocultivos y la pérdida de biodiversidad . [92] Es importante maximizar los beneficios ambientales del cultivo de carbono teniendo en cuenta al mismo tiempo los servicios ecosistémicos. [92]
Praderas
La restauración de praderas es un esfuerzo de conservación para restaurar las praderas que fueron destruidas debido al desarrollo industrial, agrícola , comercial o residencial. [93] El objetivo principal es devolver las áreas y los ecosistemas a su estado anterior a su agotamiento. [94] La masa de SOC que se puede almacenar en estas parcelas restauradas es típicamente mayor que la del cultivo anterior, actuando como un sumidero de carbono más eficaz. [95] [96]
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 . [97] [98] La adición de biocarbón puede aumentar las reservas de carbono del suelo a largo plazo y, por lo tanto, mitigar el calentamiento global al compensar el carbono atmosférico (hasta 9,5 gigatoneladas de carbono al año). [99] En el suelo, el carbono del biocarbón no está disponible para la oxidación a CO 2y la consiguiente liberación atmosférica. Sin embargo, se han planteado preocupaciones sobre la posibilidad de que el biocarbón acelere la liberación del carbono ya presente en el suelo. [100] [ necesita actualización ]
También se está investigando la terra preta , un suelo antropogénico con alto contenido de carbono, 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 un aditivo útil, especialmente en suelos tropicales ( biocarbón o agricarbón ). [101] [102]
Enterrar biomasa (como árboles) imita directamente los procesos naturales que crearon combustibles fósiles . [103] Se estima que el potencial global de secuestro de carbono mediante el entierro de madera es de 10 ± 5 GtC/año y las tasas más altas se registran en los bosques tropicales (4,2 GtC/año), seguidos de los bosques templados (3,7 GtC/año) y boreales (2,1 GtC/año). [14] En 2008, Ning Zeng de la Universidad de Maryland estimó que había 65 GtC [ necesita actualización ] en el suelo de los bosques del mundo como material leñoso grueso que podría enterrarse y los costos de secuestro de carbono mediante entierro de madera son de 50 USD/tC, lo que es mucho menor que la captura de carbono de, por ejemplo, las emisiones de las centrales eléctricas. [14] La fijación de CO2 en biomasa leñosa es un proceso natural que se lleva a cabo a través de 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 madera en condiciones libres de oxígeno. [104]
En 2022, una organización de certificación publicó metodologías para el entierro de biomasa. [105] Otras propuestas de almacenamiento de biomasa han incluido el entierro de biomasa en aguas profundas, incluso en el fondo del Mar Negro . [106]
Secuestro geológico de carbono
Almacenamiento subterráneo en formaciones geológicas adecuadas
El secuestro geológico se refiere al almacenamiento subterráneo de CO2 en yacimientos de petróleo y gas agotados, formaciones salinas o lechos de carbón profundos no aptos para la minería. [107]
Una vez que el CO 2 se captura de una fuente puntual, como una fábrica de cemento, [108] se puede comprimir a ≈100 bar en un fluido supercrítico . En esta forma , el CO 2 podría transportarse a través de tuberías hasta el lugar de almacenamiento. El CO 2 podría luego inyectarse a gran profundidad, normalmente alrededor de 1 km (0,6 mi), donde sería estable durante cientos a millones de años. [109] En estas condiciones de almacenamiento, la densidad del CO 2 supercrítico es de 600 a 800 kg/m 3 . [110]
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. El medio en el que se almacenará el CO 2 idealmente tiene una alta porosidad y permeabilidad, como arenisca o caliza. La arenisca puede tener una permeabilidad que va de 1 a 10 −5 Darcy , con una porosidad tan alta como ≈30%. La roca porosa debe estar cubierta por una capa de baja permeabilidad que actúa como un sello, o roca de cubierta, para el CO 2 . La pizarra es un ejemplo de una muy buena roca de cubierta, 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 sus alrededores. Una vez que encuentra una roca de cubierta, se extenderá lateralmente hasta encontrar un hueco. Si existen planos de falla cerca de la zona de inyección, existe la posibilidad de que el CO2 pueda migrar 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 CO2 crea presiones subterráneas demasiado altas, la formación se fracturará, lo que podría causar un terremoto. [111]
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 [ aclaración necesaria ] actúan como una barrera para la migración ascendente por flotación del CO2, lo que resulta en la retención del CO2 dentro de una formación de almacenamiento. [112] Mientras está atrapado en una formación rocosa, el CO2 puede estar en la fase de fluido supercrítico o disolverse en agua subterránea/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 el 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 el calcio , el magnesio , los álcalis y la 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 hacer conchas. Cuando los organismos mueren, sus conchas se depositan como sedimento y finalmente se convierten en piedra caliza. Las calizas se han acumulado durante miles de millones de años de tiempo geológico y contienen gran parte del carbono de la Tierra. La investigación en curso tiene como objetivo acelerar reacciones similares que involucran carbonatos alcalinos. [113]
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 caliza superficial . El olivino es uno de esos óxidos metálicos. [115] [¿ fuente autopublicada? ] Se ha demostrado que las rocas ricas en óxidos metálicos que reaccionan con CO 2 , como MgO y CaO contenidos en basaltos , son un medio viable para lograr el almacenamiento de minerales de dióxido de carbono. [116] [117] La velocidad de reacción se puede acelerar en principio con un catalizador [118] o aumentando las presiones, 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 cumplir este propósito. [119] La aceleración del secuestro pasivo de CO2 a través de la carbonatación mineral se puede lograr mediante procesos microbianos que mejoran la disolución mineral y la precipitación de carbonato. [120] [121] [122]
Carbono, en forma de CO 2puede eliminarse de la atmósfera mediante procesos químicos y almacenarse en formas minerales de carbonato estables . Este proceso ( CO 2-a-piedra) se conoce como "secuestro de carbono por carbonatación mineral " o secuestro mineral. El proceso implica la reacción del 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 de forma natural (por ejemplo, la erosión de la roca a lo largo de períodos geológicos ). [123] [124]
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 la forsterita y la serpentinita ) y no como óxidos binarios. En el caso de la forsterita y la serpentina, las reacciones son:
Estas reacciones son ligeramente más favorables a bajas temperaturas. [123] Este proceso ocurre de forma natural a lo largo de períodos geológicos y es responsable de gran parte de la caliza superficial de la Tierra . Sin embargo, la velocidad de reacción se puede acelerar si se reacciona a temperaturas y/o presiones más altas, aunque este método requiere algo de energía adicional. Alternativamente, el mineral podría molerse para aumentar su área de superficie y exponerse al agua y a la abrasión constante para eliminar la sílice inerte, como se podría lograr de forma natural vertiendo olivino en las olas de alta energía de las playas. [125]
Cuando CO 2se disuelve en agua y se inyecta en rocas basálticas calientes subterráneas, se ha demostrado que el CO 2reacciona con el basalto para formar minerales carbonatados sólidos. [126] Una planta de prueba en Islandia comenzó a funcionar en octubre de 2017, extrayendo hasta 50 toneladas de CO2 al año de la atmósfera y almacenándolo bajo tierra en roca basáltica. [127] [ necesita actualización ]
Secuestro en los océanos
Bombas de carbón 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 a través de diferentes procesos. [128] La bomba de solubilidad mueve el dióxido de carbono desde la atmósfera hacia la superficie del océano, donde reacciona con las moléculas de agua para formar ácido carbónico. La solubilidad del dióxido de carbono aumenta con la disminución de la temperatura del agua. La circulación termohalina mueve el dióxido de carbono disuelto hacia aguas más frías, donde es más soluble, lo que aumenta 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 a través de la conversión de carbono inorgánico en carbono orgánico por 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 hacia las profundidades del océano. [ cita requerida ]
Las bajas temperaturas, la alta presión y los niveles reducidos de oxígeno en las profundidades marinas ralentizan los procesos de descomposición , impidiendo la rápida liberación de carbono a la atmósfera y actuando como un depósito de almacenamiento a largo plazo. [129]
Ecosistemas costeros con vegetación
El carbono azul es un concepto dentro de la mitigación del cambio climático que se refiere a "flujos y almacenamiento de carbono impulsados biológicamente en sistemas marinos que son susceptibles de gestión". [130] : 2220 Más comúnmente, se refiere al papel que pueden desempeñar las marismas , los manglares y las praderas marinas en el secuestro de carbono. [130] : 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 . [130] : 2220
Las algas crecen en áreas costeras y poco profundas, y capturan cantidades significativas de carbono que pueden ser transportadas a las profundidades del océano por mecanismos oceánicos; las algas que llegan a las profundidades del océano secuestran carbono y evitan que se intercambie con la atmósfera durante milenios. [131] Se ha sugerido el cultivo de algas en alta mar con el propósito de hundirlas en las profundidades del mar para secuestrar carbono. [132] Además, las algas crecen muy rápido y teóricamente se pueden cosechar y procesar 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 abastecer la demanda equivalente de energía de combustibles fósiles de la Tierra, eliminar 53 gigatoneladas de CO2 por año de la atmósfera y producir de manera sostenible 200 kg por año de pescado, por persona, para 10 mil millones de personas. [133] [ fuente obsoleta ] Las especies ideales para dicho cultivo y conversión incluyen Laminaria digitata , Fucus serratus y Saccharina latissima . [134]
Se están investigando tanto las macroalgas como las microalgas como posibles medios de secuestro de carbono. [135] [136] El fitoplancton marino realiza la mitad de la fijación fotosintética global de CO2 ( producción primaria neta global 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. [137]
Debido a que las algas carecen de la lignina compleja asociada con las plantas terrestres , el carbono en las algas se libera a la atmósfera más rápidamente que el carbono capturado en la tierra. [135] [138] Las algas se han propuesto como un depósito de almacenamiento de carbono a corto plazo que se puede utilizar como materia prima para la producción de varios combustibles biogénicos . [139]
Mujeres trabajando con algas
El cultivo de algas a gran escala podría secuestrar cantidades significativas de carbono. [6] Las algas silvestres secuestrarán grandes cantidades de carbono a través de partículas disueltas de materia orgánica que se transportan a los fondos marinos profundos, donde quedan enterradas y permanecen durante largos períodos de tiempo. [7] Con respecto al cultivo de carbono, el crecimiento potencial de las algas marinas para el cultivo de carbono haría que las algas cosechadas se transportaran a las profundidades del océano para su enterramiento a largo plazo. [7] El cultivo de algas marinas 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 "una mayor atención a la investigación" sobre el cultivo de algas marinas como una táctica de mitigación. [8]
La fertilización o nutrición oceánica es un tipo de tecnología para la eliminación de dióxido de carbono del océano basada en la introducción intencionada de nutrientes vegetales en la capa superior del océano para aumentar la producción de alimentos marinos y eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera. [140] [141] 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 el océano más profundo 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. [142]
Este es uno de los enfoques de eliminación de dióxido de carbono (CDR) mejor investigados y apoyados por los defensores de la restauración climática . Sin embargo, existe incertidumbre sobre este enfoque en cuanto a la duración del secuestro efectivo de carbono oceánico. 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 podría aumentar. Un informe de 2021 sobre CDR indica que existe una confianza media-alta de que la técnica podría ser eficiente y escalable a bajo costo, con riesgos ambientales medios. [143] Los riesgos de la fertilización con nutrientes se pueden monitorear. Peter Fiekowsy y Carole Douglis escriben: "Considero que la fertilización con hierro es un elemento importante en nuestra lista de posibles soluciones de restauración climática. Dado que la fertilización con hierro es un proceso natural que ha tenido lugar a gran escala durante millones de años, es probable que la mayoría de los efectos secundarios sean familiares y no representen una amenaza importante" [144].
El afloramiento o hundimiento artificial es un método que cambiaría las capas de mezcla del océano. Al estimular la mezcla de varias capas del océano se pueden mover los nutrientes y los gases disueltos. [147] La mezcla se puede lograr colocando grandes tuberías verticales en los océanos para bombear agua rica en nutrientes a la superficie, lo que desencadena la proliferación de algas , que almacenan carbono cuando crecen y exportan [ aclaración necesaria ] carbono cuando mueren. [147] [148] [149] Esto produce resultados algo similares a la fertilización con hierro. Un efecto secundario es un aumento a corto plazo del CO 2, lo que limita su atractivo. [150]
Las capas de mezcla implican el transporte del agua profunda del océano, más densa y fría, a la capa mixta de la superficie . 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. [151] Esto se puede inducir invirtiendo el ciclo del carbono oceánico mediante el uso de grandes tuberías verticales que sirvan como bombas oceánicas, [152] o un conjunto mezclador. [153] Cuando el agua profunda del océano rica en nutrientes se mueve a la superficie, se produce la floración de algas , lo que resulta en una disminución del dióxido de carbono debido a la ingesta de carbono del fitoplancton y otros organismos eucariotas fotosintéticos . La transferencia de calor entre las capas también hará que el agua de mar de la capa mixta se hunda y absorba más dióxido de carbono. Este método no ha ganado mucha tracción ya que la floración de algas daña los ecosistemas marinos al bloquear la luz solar y liberar toxinas dañinas en el océano. [154] El aumento repentino del dióxido de carbono en el nivel de la superficie también disminuirá temporalmente el pH del agua de mar, lo que perjudicará el crecimiento de los arrecifes de coral . La producción de ácido carbónico a través de la disolución del dióxido de carbono en el agua de mar dificulta la calcificación biogénica marina y provoca importantes perturbaciones en la cadena alimentaria oceánica . [155]
Almacenamiento de basalto
El secuestro de dióxido de carbono en el 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+ que forman minerales carbonatados estables. [156]
El basalto submarino ofrece una buena alternativa a otras formas de almacenamiento de carbono oceánico porque cuenta con una serie de medidas de captura para garantizar una protección adicional contra fugas. Estas medidas incluyen " formación geoquímica, sedimentaria, gravitacional y de hidratos ". Debido a que el CO 2El hidrato es más denso que el CO 2En agua de mar, el riesgo de fugas es mínimo. Inyectando el CO 2a profundidades superiores a 2.700 metros (8.900 pies) garantiza que el CO 2tiene una densidad mayor que el agua del mar, lo que provoca que se hunda. [157]
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 [ aclaración necesaria ] está determinada por el período de circulación del océano y la capacidad de amortiguación del agua superficial en subducción . [160] Los investigadores han demostrado que el almacenamiento marino de dióxido de carbono a varios kilómetros de profundidad podría ser viable hasta por 500 años, pero depende del sitio de inyección y las condiciones. Varios estudios han demostrado que, aunque puede fijar el dióxido de carbono de manera efectiva, el dióxido de carbono puede liberarse nuevamente a la atmósfera con el tiempo. Sin embargo, esto es poco probable durante al menos unos pocos 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 1700 años para el océano y aproximadamente de 5000 a 6000 años para la tierra. [161] [162] Además, el tiempo de disolución del CaCO3 se puede mejorar inyectándolo cerca o aguas abajo del sitio de almacenamiento. [163]
Además de la mineralización de carbono , otra propuesta es la inyección de sedimentos en aguas profundas . Se inyecta dióxido de carbono líquido al menos 3.000 m (9.800 pies) por debajo de la superficie directamente en los sedimentos oceánicos para generar hidratos 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 la consideración de 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 es más favorecida energéticamente que dentro de la HFZ. Si la NBZ es una columna de agua mayor que la HFZ, la inyección debería ocurrir por debajo de la HFZ y directamente a la NBZ. [164] En este caso, el dióxido de carbono líquido se hundirá hasta la ZNB y se almacenará por debajo de la capa de flotabilidad e hidrato. La fuga de dióxido de carbono puede ocurrir si hay disolución en el fluido de los poros [ aclaración necesaria ] o por difusión molecular . Sin embargo, esto ocurre a lo largo de miles de años. [163] [165] [166]
Secuestro y almacenamiento de carbono en un solo paso
El secuestro y almacenamiento de carbono en un solo paso es una tecnología de mineralización basada en agua salina que extrae dióxido de carbono del agua de mar y lo almacena en forma de minerales sólidos. [176]
Ideas abandonadas
Inyección directa de dióxido de carbono en aguas profundas
En una ocasión se sugirió que el CO2 podría almacenarse en los océanos mediante inyección directa en las profundidades oceánicas y almacenarlo allí durante algunos siglos. En ese momento, esta propuesta se llamó "almacenamiento oceánico", pero más precisamente se 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 [177] : 279 , los altos costos y las preocupaciones sobre su estabilidad o permanencia. [109] El "Informe especial del IPCC sobre captura y almacenamiento de dióxido de carbono" de 2005 incluyó esta tecnología como una opción. [177] : 279 Sin embargo, el Quinto Informe de Evaluación del IPCC de 2014 ya no menciona el término "almacenamiento oceánico" en su informe sobre los métodos de mitigación del cambio climático. [178] 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". [179] : 12–37
Costos
El costo del secuestro de carbono (sin incluir la captura y el transporte) varía, pero es inferior a 10 dólares por tonelada en algunos casos en los que se dispone de almacenamiento en tierra. [180] Por ejemplo, el costo de Carbfix es de alrededor de 25 dólares por tonelada de CO2 . [ 181] Un informe de 2020 estimó el secuestro en los bosques (incluida la captura) en 35 dólares para pequeñas cantidades y 280 dólares por tonelada para el 10% del total necesario para mantener el calentamiento de 1,5 °C. [182] Pero existe el riesgo de que los incendios forestales liberen el carbono. [183]
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