Para que el carbono sea secuestrado artificialmente (es decir, sin utilizar los procesos naturales del ciclo del carbono), primero debe ser capturado, o debe retrasarse significativamente o evitarse que se vuelva a liberar a la atmósfera (por combustión, descomposición, etc.) desde un material rico en carbono existente, incorporándolo a un uso duradero (como en la construcción). A partir de entonces, puede almacenarse de forma pasiva o seguir utilizándose de forma productiva a lo largo del tiempo de diversas maneras.
Por ejemplo, tras la recolección, la madera (como material rico en carbono) puede quemarse inmediatamente o servir de combustible, devolviendo su carbono a la atmósfera, o puede incorporarse a la construcción o a una serie de otros productos duraderos, secuestrando así su carbono durante años o incluso siglos.
Un edificio cuidadosamente diseñado y duradero, con eficiencia energética y que capture energía, tiene el potencial de secuestrar (en sus materiales de construcción ricos en carbono), tanto o más carbono del que se liberó por la adquisición e incorporación de todos sus materiales y del que se liberará por las «importaciones de energía» de la función del edificio durante la existencia de la estructura (potencialmente de varios siglos). Una estructura de este tipo podría denominarse «neutra en carbono» o incluso «negativa en carbono». Se calcula que la construcción y el funcionamiento de los edificios (uso de electricidad, calefacción, etc.) contribuyen a casi la mitad de las adiciones anuales de carbono causadas por el ser humano a la atmósfera.
Las plantas de purificación de gas natural a menudo ya tienen que eliminar el dióxido de carbono, ya sea para evitar que el hielo seco obstruya los camiones cisterna de gas o para evitar que las concentraciones de dióxido de carbono superen el 3% máximo permitido en la red de distribución de gas natural.
Más allá de esto, una de las primeras aplicaciones más probables de la captura de carbono es la captura del dióxido de carbono de los gases de combustión de las centrales eléctricas (en el caso del carbón, esta mitigación de la contaminación del carbón se conoce a veces como «carbón limpio»). Una central eléctrica de carbón típica de 1.000 MW produce unos 6 millones de toneladas de dióxido de carbono al año. Añadir la captura de carbono a las centrales existentes puede aumentar considerablemente los costes de producción de energía; aparte de los costes de depuración, una central de carbón de 1000 MW requerirá el almacenamiento de unos 50 millones de barriles (7.900.000 m3) de dióxido de carbono al año. Sin embargo, la depuración es relativamente asequible cuando se añade a las nuevas plantas basadas en la tecnología de gasificación del carbón, donde se calcula que aumenta los costes energéticos de los hogares de Estados Unidos que sólo utilizan fuentes de electricidad de carbón de 10 céntimos por kW-h a 12 céntimos.
EdificiosEditar
Según un equipo internacional de científicos interdisciplinarios en un estudio de 2020, la adopción generalizada de la madera en masa y su sustitución por el acero y el hormigón en los nuevos proyectos de construcción de mediana altura durante las próximas décadas tiene el potencial de convertir los edificios de madera en un sumidero global de carbono, ya que almacenan el dióxido de carbono tomado del aire por los árboles que se talan y utilizan como madera de ingeniería. Teniendo en cuenta la necesidad demográfica de nuevas construcciones urbanas para los próximos treinta años, el equipo analizó cuatro escenarios para la transición a la construcción de edificios medianos de madera en masa. Suponiendo que todo siga igual, sólo el 0,5% de los nuevos edificios del mundo se construirían con madera en 2050 (escenario 1). Esta cifra podría aumentar hasta el 10% (escenario 2) o el 50% (escenario 3), suponiendo que la fabricación de madera en masa aumentara a medida que se produjera una revolución de materiales que sustituyera el cemento y el acero en la construcción urbana por la madera. Por último, si los países con bajo nivel de industrialización actual, por ejemplo, África, Oceanía y partes de Asia, también hicieran la transición a la madera (incluido el bambú), entonces es concebible incluso un 90% de madera en 2050 (escenario 4). Esto podría suponer el almacenamiento de entre 10 millones de toneladas de carbono al año en el escenario más bajo y cerca de 700 millones de toneladas en el escenario más alto. El estudio concluyó que este potencial podría realizarse bajo dos condiciones. En primer lugar, los bosques explotados tendrían que ser gestionados, gobernados y utilizados de forma sostenible. En segundo lugar, la madera de los edificios de madera demolidos tendría que reutilizarse o conservarse en la tierra de diversas formas.
Captura de carbonoEditar
Actualmente, la captura de dióxido de carbono se realiza a gran escala mediante la absorción de dióxido de carbono en diversos disolventes a base de aminas. Actualmente se están investigando otras técnicas, como la adsorción por oscilación de presión, la adsorción por oscilación de temperatura, las membranas de separación de gases, la criogenia y la captura en chimeneas.
En las centrales eléctricas de carbón, las principales alternativas a la adaptación de los absorbentes a base de aminas en las centrales existentes son dos nuevas tecnologías: la gasificación del carbón en ciclo combinado y la oxicombustión. La gasificación produce primero un «syngas» compuesto principalmente por hidrógeno y monóxido de carbono, que se quema, filtrando el dióxido de carbono de los gases de combustión. La oxicombustión quema el carbón en oxígeno en lugar de aire, produciendo sólo dióxido de carbono y vapor de agua, que se separan con relativa facilidad. Algunos de los productos de la combustión deben ser devueltos a la cámara de combustión, ya sea antes o después de la separación, de lo contrario las temperaturas serían demasiado altas para la turbina.
Otra opción a largo plazo es la captura de carbono directamente del aire utilizando hidróxidos. El aire sería literalmente depurado de su contenido de CO2. Esta idea ofrece una alternativa a los combustibles no basados en el carbono para el sector del transporte.
Ejemplos de captura de carbono en las plantas de carbón incluyen la conversión del carbono de las chimeneas en bicarbonato de sodio, y la captura de carbono basada en las algas, eludiendo el almacenamiento mediante la conversión de las algas en combustible o alimento.
Océanos
Otra forma propuesta de captura de carbono en el océano es la inyección directa. En este método, el dióxido de carbono se bombea directamente al agua en profundidad, y se espera que forme «lagos» de CO2 líquido en el fondo. Los experimentos realizados en aguas de moderadas a profundas (350-3.600 metros) indican que el CO2 líquido reacciona para formar hidratos de clatrato de CO2 sólidos, que se disuelven gradualmente en las aguas circundantes.
Este método también tiene consecuencias medioambientales potencialmente peligrosas. El dióxido de carbono reacciona con el agua para formar ácido carbónico, H2CO3; sin embargo, la mayor parte (hasta el 99%) permanece como CO2 molecular disuelto. El equilibrio sería sin duda muy diferente en las condiciones de alta presión del océano profundo. Además, si los metanógenos bacterianos de las profundidades que reducen el dióxido de carbono se encontraran con los sumideros de dióxido de carbono, los niveles de gas metano podrían aumentar, lo que llevaría a la generación de un gas de efecto invernadero aún peor.Se desconocen los efectos ambientales resultantes sobre las formas de vida bentónicas de las zonas batipelágica, abisopelágica y hadopelágica. Aunque la vida parece ser bastante escasa en las cuencas oceánicas profundas, los efectos energéticos y químicos en estas cuencas profundas podrían tener implicaciones de gran alcance. Se necesita mucho más trabajo en este sentido para definir el alcance de los problemas potenciales.
El almacenamiento de carbono en los océanos o bajo ellos puede no ser compatible con el Convenio sobre la Prevención de la Contaminación Marina por Vertido de Desechos y Otras Materias.
Un método adicional de secuestro a largo plazo en los océanos consiste en reunir los residuos de las cosechas, como los tallos de maíz o el exceso de heno, en grandes fardos ponderados de biomasa y depositarlos en las zonas de abanico aluvial de la cuenca oceánica profunda. El depósito de estos residuos en los abanicos aluviales haría que los residuos quedaran rápidamente enterrados en el limo del fondo marino, secuestrando la biomasa durante períodos muy largos. Los abanicos aluviales existen en todos los océanos y mares del mundo en los que los deltas de los ríos se desprenden del borde de la plataforma continental, como el abanico aluvial del Misisipi en el golfo de México y el abanico aluvial del Nilo en el mar Mediterráneo. Un inconveniente, sin embargo, sería el aumento del crecimiento de bacterias aeróbicas debido a la introducción de biomasa, lo que llevaría a una mayor competencia por los recursos de oxígeno en las profundidades marinas, similar a la zona mínima de oxígeno.
Secuestro geológicoEditar
El método de geosecuestro o almacenamiento geológico consiste en inyectar dióxido de carbono directamente en formaciones geológicas subterráneas. Se han sugerido como lugares de almacenamiento los yacimientos petrolíferos en declive, los acuíferos salinos y las vetas de carbón no explotables. Las cavernas y las viejas minas que se utilizan habitualmente para almacenar gas natural no se tienen en cuenta, debido a la falta de seguridad del almacenamiento.
El CO2 se ha inyectado en campos petrolíferos en declive durante más de 40 años, para aumentar la recuperación de petróleo. Esta opción es atractiva porque los costes de almacenamiento se compensan con la venta del petróleo adicional que se recupera. Por lo general, es posible una recuperación adicional del 10-15% del petróleo original en el lugar. Otras ventajas son la infraestructura existente y la información geofísica y geológica sobre el yacimiento petrolífero que se obtiene de la exploración petrolífera. Otra ventaja de inyectar CO2 en los yacimientos de petróleo es que el CO2 es soluble en el petróleo. La disolución del CO2 en el petróleo disminuye la viscosidad del mismo y reduce su tensión interfacial, lo que aumenta la movilidad del petróleo. Todos los yacimientos petrolíferos tienen una barrera geológica que impide la migración ascendente del petróleo. Como la mayor parte del petróleo y del gas ha estado en el lugar durante millones o decenas de millones de años, los yacimientos de petróleo y gas agotados pueden contener dióxido de carbono durante milenios. Los posibles problemas identificados son las numerosas oportunidades de «fuga» que ofrecen los antiguos pozos de petróleo, la necesidad de altas presiones de inyección y la acidificación, que puede dañar la barrera geológica. Otras desventajas de los antiguos yacimientos petrolíferos son su limitada distribución geográfica y su profundidad, que requiere altas presiones de inyección para el secuestro. Por debajo de una profundidad de unos 1.000 m, el dióxido de carbono se inyecta como un fluido supercrítico, un material con la densidad de un líquido, pero la viscosidad y la difusividad de un gas.Los filones de carbón no explotables pueden utilizarse para almacenar CO2, porque el CO2 se absorbe en la superficie del carbón, lo que garantiza un almacenamiento seguro a largo plazo. En el proceso se libera el metano que antes estaba adsorbido a la superficie del carbón y que puede ser recuperado. De nuevo, la venta del metano puede utilizarse para compensar el coste del almacenamiento de CO2. La liberación o quema de metano compensaría, por supuesto, al menos parcialmente el resultado de secuestro obtenido – excepto cuando se permite que el gas se escape a la atmósfera en cantidades significativas: el metano tiene un potencial de calentamiento global mayor que el CO2.
Los acuíferos salinos contienen salmueras altamente mineralizadas y hasta ahora se han considerado sin beneficio para los seres humanos, excepto en algunos casos en los que se han utilizado para el almacenamiento de residuos químicos. Sus ventajas incluyen un gran volumen de almacenamiento potencial y una presencia relativamente común que reduce la distancia a la que hay que transportar el CO2. La principal desventaja de los acuíferos salinos es que se conoce relativamente poco sobre ellos en comparación con los yacimientos de petróleo. Otra desventaja de los acuíferos salinos es que, a medida que aumenta la salinidad del agua, se puede disolver menos CO2 en la solución acuosa. Para mantener un coste de almacenamiento aceptable, la exploración geofísica puede ser limitada, lo que da lugar a una mayor incertidumbre sobre la estructura de un determinado acuífero. A diferencia del almacenamiento en yacimientos de petróleo o de carbón, ningún producto secundario compensará el coste de almacenamiento. La fuga de CO2 a la atmósfera puede ser un problema en el almacenamiento en acuíferos salinos. Sin embargo, las investigaciones actuales demuestran que varios mecanismos de captura inmovilizan el CO2 bajo tierra, reduciendo el riesgo de fuga.
Actualmente se está llevando a cabo un importante proyecto de investigación que examina el secuestro geológico del dióxido de carbono en un yacimiento petrolífero de Weyburn, en el sureste de Saskatchewan. En el Mar del Norte, la plataforma noruega de gas natural Sleipner extrae el dióxido de carbono del gas natural con disolventes amínicos y lo elimina mediante el secuestro geológico. Sleipner reduce las emisiones de dióxido de carbono en aproximadamente un millón de toneladas al año. El coste del secuestro geológico es menor en relación con los costes globales de funcionamiento. Desde abril de 2005, BP está estudiando la posibilidad de realizar un ensayo de secuestro a gran escala del dióxido de carbono despojado de las emisiones de las centrales eléctricas en el yacimiento petrolífero de Miller, a medida que se agotan sus reservas.
En octubre de 2007, la Oficina de Geología Económica de la Universidad de Texas en Austin recibió un subcontrato de 10 años y 38 millones de dólares para llevar a cabo el primer proyecto a largo plazo y con seguimiento intensivo en Estados Unidos que estudia la viabilidad de inyectar un gran volumen de CO2 para su almacenamiento subterráneo. El proyecto es un programa de investigación de la Southeast Regional Carbon Sequestration Partnership (SECARB), financiado por el Laboratorio Nacional de Tecnología Energética del Departamento de Energía (DOE) de Estados Unidos. La asociación SECARB demostrará la tasa de inyección de CO2 y la capacidad de almacenamiento en el sistema geológico Tuscaloosa-Woodbine, que se extiende desde Texas hasta Florida. A partir del otoño de 2007, el proyecto inyectará un millón de toneladas de CO2 al año, durante un máximo de 1,5 años, en una salmuera situada a 3.000 metros por debajo de la superficie terrestre, cerca del yacimiento petrolífero de Cranfield, a unos 24 kilómetros al este de Natchez (Mississippi). El equipo experimental medirá la capacidad del subsuelo para aceptar y retener el CO2.
Secuestro mineralEditar
El secuestro mineral pretende atrapar el carbono en forma de sales sólidas de carbonato. Este proceso ocurre lentamente en la naturaleza y es responsable de la deposición y acumulación de la piedra caliza a lo largo del tiempo geológico. El ácido carbónico de las aguas subterráneas reacciona lentamente con los silicatos complejos para disolver el calcio, el magnesio, los álcalis y la sílice y dejar un residuo de minerales de arcilla. El calcio y el magnesio disueltos reaccionan con el bicarbonato para precipitar carbonatos de calcio y magnesio, un proceso que los organismos utilizan para fabricar conchas. Cuando los organismos mueren, sus caparazones se depositan como sedimento y acaban convirtiéndose en caliza. Las calizas se han acumulado durante miles de millones de años de tiempo geológico y contienen gran parte del carbono de la Tierra. Las investigaciones en curso pretenden acelerar reacciones similares con carbonatos alcalinos.
Se están investigando varios yacimientos de serpentinita como posibles sumideros de almacenamiento de CO2 a gran escala, como los que se encuentran en Nueva Gales del Sur (Australia), donde está en marcha el primer proyecto de planta piloto de carbonatación mineral. La reutilización beneficiosa del carbonato de magnesio de este proceso podría proporcionar materia prima para nuevos productos desarrollados para el entorno construido y la agricultura, sin devolver el carbono a la atmósfera y actuando así como sumidero de carbono.
Una de las reacciones propuestas es la de la dunita, roca rica en olivino, o su equivalente hidratado, la serpentinita, con el dióxido de carbono para formar el mineral de carbonato magnesita, más sílice y óxido de hierro (magnetita).
El secuestro de la serpentinita se ve favorecido por la naturaleza no tóxica y estable del carbonato de magnesio. Las reacciones ideales implican a los componentes del extremo de magnesio del olivino (reacción 1) o de la serpentina (reacción 2), esta última derivada del olivino anterior por hidratación y silicificación (reacción 3). La presencia de hierro en el olivino o la serpentina reduce la eficiencia del secuestro, ya que los componentes de hierro de estos minerales se descomponen en óxido de hierro y sílice (reacción 4).
Reacciones de la serpentinitaEditar
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(Reacción 2) |
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(Reacción 3) |
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(Reacción 4) |
Estructuras de imidazolato zeolíticoEditar
Los marcos de imidazolato zeolítico son un sumidero de dióxido de carbono de marco metal-orgánico que podría utilizarse para mantener las emisiones industriales de dióxido de carbono fuera de la atmósfera.