Esta es la tercera parte de una serie de cuatro partes sobre la captura y utilización de carbono (CCU), la creciente industria dedicada a utilizar el dióxido de carbono capturado de la atmósfera para luchar contra el cambio climático. La primera parte presenta el CCU y sus formas básicas, y la segunda parte trata de la recuperación mejorada de petróleo, el mayor uso actual del CO2. El cuarto post considera cómo los responsables políticos deberían enfocar las tecnologías de CCU.

A estas alturas se entiende bien que el dióxido de carbono es un contaminante mortal que está calentando la atmósfera. Lo que no se entiende tan bien es que el CO2 es también una materia prima útil, un insumo en una variedad de procesos industriales. Desde los plásticos hasta el hormigón, el CO2 es un componente industrial básico, una materia prima valiosa.

Para muchos defensores del clima, esto sugiere que quizá deberíamos utilizarlo más. Tal vez, si se pudiera incentivar a las industrias que utilizan el CO2 para que aumentaran su uso, podríamos utilizarlo lo suficiente como para reducir sustancialmente la cantidad que emitimos a la atmósfera.

Usar más; emitir menos. Esa es la idea básica que subyace a la captura y utilización de carbono (CCU), uno de los temas más candentes de la energía limpia en estos días.

En mi primer post de esta serie, introduje el concepto de CCU y sus formas básicas. En el segundo, examiné de cerca lo que actualmente es el uso industrial más común del CO2, a saber, la recuperación mejorada de petróleo (EOR), mediante la cual se inyecta CO2 en pozos gastados para extraer más petróleo y gas. (Es complicado.)

En este post, vamos a echar un vistazo a los demás usos industriales del CO2 para intentar hacernos una idea de su viabilidad, de su potencial total y de si podrían desempeñar un papel importante en la lucha contra el cambio climático. Una nota importante: a los efectos de este artículo, me refiero a los procesos industriales. Implican extraer el CO2 del aire -ya sea de los gases de combustión de las instalaciones industriales, mediante la captura tradicional de carbono, o del aire ambiente, mediante la captura directa del aire (DAC)-, concentrarlo y utilizarlo como materia prima industrial.

También hay una serie de formas naturales de recoger más CO2, desde plantar más bosques hasta secuestrar más carbono en el suelo. Son interesantes y de escala potencialmente significativa, pero merecen su propio post. Este post trata de las máquinas.

Ingeniería del carbono

Tres formas importantes de evaluar las tecnologías de CCU

Antes de adentrarnos en las distintas formas de CCU, tengamos en cuenta tres preguntas importantes que debemos hacernos sobre todas ellas al tomarles la medida.

Las preguntas proceden de una gigantesca revisión bibliográfica sobre CCU, publicada recientemente en la revista Nature, en la que se evaluaron más de 11.000 artículos y se acompañó de una encuesta de opinión de expertos. La primera pregunta es: ¿la tecnología CCU produce un beneficio climático? ¿Reduce las emisiones de carbono y, si es así, en qué medida? ¿Secuestra el carbono, y si es así, durante cuánto tiempo?

Hay algunos conceptos que se solapan aquí y que a menudo se confunden en el diálogo popular, por lo que vale la pena distinguirlos. Así es como lo hace el artículo de Nature:

• CO2u: utilización del CO2
• CO2ρ: reducción de las emisiones de CO2 en relación con la línea de base
• CO2r: eliminación del CO2 de la atmósfera
• CO2s: almacenamiento del CO2

Royal Society

Las diferentes tecnologías de CCU implican diferentes mezclas de éstas. La determinación del impacto neto del carbono de una tecnología de CCU implica un análisis del ciclo de vida (ACV) que tiene en cuenta de dónde procede el CO2, cuánta energía se utiliza en la producción, de dónde procede la energía, cuánto CO2 se libera durante la producción, si se captura parte del CO2 liberado, cómo se elimina finalmente el producto y qué habría ocurrido en ausencia de la producción. (El ACV es endiabladamente complicado y en la actualidad no existen normas ampliamente compartidas que regulen su realización.)

Algunos usos del CO2 -por ejemplo, la fabricación de combustibles líquidos que sustituyan a la gasolina y al gasóleo- sólo bloquean el carbono hasta que el combustible se quema, momento en el que se vuelve a liberar a la atmósfera. No eliminan el CO2 de la atmósfera, sino que lo reciclan una vez y luego lo devuelven; el artículo de Nature los llama procesos “cíclicos”. Pero al sustituir un proceso neutro en carbono por uno intensivo en carbono, reducen las emisiones netas (CO2ρ) en relación con lo que habría ocurrido de otro modo.

Otros usos del CO2 -por ejemplo, como parte del proceso de producción de cemento- bloquean el carbono durante mucho más tiempo. El hormigón no mantendrá permanentemente el CO2 fuera de la atmósfera, pero podría almacenarlo durante un siglo o más, por lo que, a todos los efectos, cuenta como almacenamiento de carbono (CO2). El artículo de Nature llama a estos procesos “cerrados”.

El ACV es complejo, y los detalles importan, pero una conclusión general de la literatura es que “el potencial de reducción neta de emisiones es mucho mayor que el de eliminación neta, que parece muy modesto”. En general, es probable que el CCU no produzca una gran cantidad de CO2, pero podría producir una cantidad considerable de CO2ρ.

Evaluar el beneficio climático de las diferentes opciones de CCU es primordial. Los responsables políticos deben tener siempre presente que el CCU no es un bien en sí mismo. Sólo merece la pena perseguirlo en la medida en que suponga una diferencia climática significativa.

La segunda pregunta es, ¿cuál es la escala potencial de la tecnología CCU? Si es un producto especializado o de bajo volumen, puede que no merezca la pena el esfuerzo de R&D para averiguar cómo hacer que funcione comercialmente con el CO2 capturado. Es lógico que los responsables políticos y los inversores prioricen su atención y sus recursos en función de las tecnologías con mayor potencial total. (Dentro de un momento veremos una clasificación de las tecnologías según su potencial.)

Y la tercera pregunta es, ¿en qué punto de la curva de aprendizaje se encuentra la tecnología CCU? Es una tecnología especulativa que existe sobre todo en el laboratorio y en unos pocos proyectos piloto, como los combustibles líquidos sintéticos, o es una tecnología establecida con un potencial de crecimiento del mercado a corto plazo, como el CO2 en el cemento?

Todas estas preguntas son importantes a la hora de evaluar el potencial de las tecnologías de CCU para ofrecer soluciones climáticas prácticas.

Entonces, ¿cuáles son esas tecnologías? Echemos un vistazo a algunas.

Nature

(Hay muchas formas diferentes de dividirlas; mi lista es un poco una mezcla del artículo de Nature al que se hace referencia más arriba y de esta exhaustiva hoja de ruta de 2016 realizada por Lux Research para la Global CO2 Initiative.)

Materiales de construcción de hormigón

Aquí hay varias tecnologías, todas relacionadas con el hormigón, que es una mezcla de cemento, agua y agregados. El cemento es un polvo fino que, al ser activado por el agua, une los áridos en una mezcla rígida.

En primer lugar, los áridos -que se incorporan al hormigón, al asfalto y al relleno de la construcción- pueden fabricarse convirtiendo el CO2 gaseoso en carbonatos minerales sólidos como el carbonato de calcio (CaCO3), un proceso conocido como “mineralización del CO2.” (Ver Planeta Azul.)

En segundo lugar, el CO2 puede ser sustituido por el agua en el “curado” del hormigón durante su mezcla, dando lugar a una mineralización similar. Resulta que esto realmente hace que el hormigón resultante sea más fuerte, además de ahorrar mucha agua. (Ver, por ejemplo, Solidia y CarbonCure.)

En tercer lugar, el cemento puede ser eliminado en favor de nuevos agentes aglutinantes que absorben y mineralizan el CO2. (Véase Hormigón de CO2.)

En cuarto lugar, y el más especulativo, se encuentra una prometedora tecnología impulsada por el proyecto de la UE de Cemento de Cal de Baja Intensidad de Emisiones & (LEILAC). El proceso de producción de cemento y cal implica reacciones químicas (no la combustión de combustibles fósiles) que inevitablemente liberan CO2. LEILAC pretende ajustar el proceso para que cree un flujo de residuos de CO2 purificado que pueda ser fácilmente capturado y secuestrado o reutilizado.

Al menos en teoría, uno puede imaginar que las emisiones de CO2 purificadas del proceso de fabricación de cemento sean capturadas y luego reinyectadas en el proceso al mezclar un agente aglutinante mineralizador de CO2 con agregados a base de CO2. Si todas esas piezas pudieran alinearse -y para ser claros, eso no se está haciendo todavía en ninguna parte del mundo- los materiales de construcción resultantes podrían tener la pretensión de ser verdaderamente negativos en carbono, sobre la base del ciclo de vida. No sólo reducirían las emisiones netas (CO2ρ), sino que almacenarían el carbono (CO2s) de forma semipermanente.

Pero a falta de eso, incluso si el cemento sólo consigue CO2ρ, no CO2s, la oportunidad aquí es grande e inmediata. Estas tecnologías (al menos las dos primeras) están consolidadas y tienen un consumo de energía relativamente bajo; podrían dar lugar a un secuestro de carbono a escala de miles de millones de toneladas.

Combustibles líquidos

Hoy en día, los combustibles líquidos -gasolina, diésel y variantes más raras como el combustible para aviones- se fabrican refinando hidrocarburos extraídos del subsuelo. En cambio, pueden fabricarse con el carbono del aire.

Los “combustibles sintéticos” pueden fabricarse de muchas maneras diferentes, a través de muchos procesos y químicas diferentes, dando lugar a una variedad de combustibles. Hay combustibles sintéticos que pueden sustituir a cualquier combustible líquido.

La forma más sencilla de pensar en ellos es como una mezcla de tres cosas: una molécula basada en el carbono (normalmente CO2), hidrógeno y energía. La energía se utiliza para separar el oxígeno del carbono y pegar el carbono al hidrógeno. La intensidad de carbono de los combustibles resultantes depende de la fuente de los tres componentes: el CO2, la electricidad y el hidrógeno.

Si el CO2 proviene de depósitos subterráneos, la electricidad proviene de combustibles fósiles y el hidrógeno proviene del reformado de vapor del gas natural (como lo hace aproximadamente el 95 por ciento del hidrógeno hoy en día), el combustible resultante es extremadamente intensivo en carbono.

Si el CO2 procede del aire ambiente, la electricidad proviene de energías renovables y el hidrógeno procede de la electrólisis solar (que extrae el hidrógeno directamente del agua), el combustible resultante es extremadamente bajo en carbono.

Los combustibles líquidos neutros en carbono son, casi con toda seguridad, el mayor mercado potencial para el CO2. Hay muchos combustibles líquidos en el mundo, y existen mercados para alternativas más limpias, incluso en estados como California y Oregón con una norma de combustible bajo en carbono (LCFS).

HyTech Power

Reducir el coste de la captura de carbono ayudaría con los combustibles sintéticos, pero son los otros dos ingredientes, el hidrógeno y la energía, los que representan una mayor parte de los costes. Se necesita mucha energía para electrolizar el hidrógeno y aún más para separar el CO2. (Toda esa energía cuesta dinero.

La energía renovable extremadamente barata es la clave para hacer que los combustibles sintéticos neutros en carbono funcionen porque es la clave para el hidrógeno barato, y la producción de combustibles sintéticos a escala va a requerir mucho hidrógeno. En un informe especial sobre los sectores difíciles de descarbonizar, como la industria y el transporte aéreo, la Comisión de Transición Energética hizo hincapié en la necesidad de los combustibles sintéticos y, por tanto, en la necesidad del hidrógeno: “Para lograr una economía con cero emisiones de CO2 netas será necesario aumentar la producción mundial de hidrógeno de las 60 anuales actuales a algo así como 425-650 Mt a mediados de siglo.”

Incluso si el hidrógeno no desempeña un gran papel directo en el transporte (probablemente no lo hará), seguirá siendo necesario para los combustibles sintéticos, que a su vez son necesarios para descarbonizar sectores de difícil acceso como la industria. Para que la electrólisis del “hidrógeno verde” sea posible, la energía renovable tiene que ser realmente barata.

Hay muchos analistas que piensan que la energía solar a escala de servicios públicos en buenas ubicaciones producirá pronto la electricidad más barata del mundo, hasta 20 o incluso 10 dólares por megavatio-hora. Y habrá periodos de excedente de energía solar que habrá que absorber, energía que de otro modo podría haberse desperdiciado.

“Aunque la producción de hidrocarburos más complejos es energética y, por tanto, económicamente cara”, dice el artículo de Nature, “podrían producirse rápidas reducciones de costes si las energías renovables -que representan una gran proporción del coste total- siguen abaratándose, y si la política estimula otras reducciones de costes.”

Los combustibles sintéticos no existen hoy en día a ninguna escala de mercado (“los flujos actuales son casi nulos”, como dice el artículo de Nature), pero si todo se une para apoyarlos, podrían captar una parte sustancial del mercado mundial de combustibles, lo que no es poca cosa. No son CO2s, pero es mucho CO2ρ.

Para ser claros: el futuro es la electrificación. Cuando se trata de la descarbonización, siempre es mejor electrificar los usos finales de la energía -utilizar la electricidad directamente, en lugar de perder una gran fracción de ella en las conversiones-, pero incluso en escenarios optimistas, va a haber sectores difíciles de electrificar.

Los combustibles líquidos neutros en carbono para los sectores difíciles de descarbonizar son tanto un gran mercado como una pieza clave del rompecabezas de la descarbonización.

MIT

Químicos y plásticos

Usando varios catalizadores, el CO2 puede convertirse en una variedad de intermediarios químicos -materiales que luego sirven como materia prima en otros procesos industriales, como el metanol, el syngas y el ácido fórmico.

El CO2 también puede transformarse mediante catalizadores en polímeros, precursores de plásticos, adhesivos y productos farmacéuticos. Por ahora, los polímeros derivados del CO2 son bastante caros, pero los plásticos son otro mercado potencialmente importante: representan una fracción creciente de la demanda de combustibles fósiles líquidos. Y tienen una vida útil de décadas a siglos, por lo que presentan cierto potencial para los CO2.

Actualmente, sólo unas pocas aplicaciones químicas del CO2 se comercializan a escala, incluyendo la producción de urea y polioles de policarbonato.

Algas

El CO2 capturado puede utilizarse para acelerar el crecimiento de las algas, que tienen la capacidad de absorber mucho más de él, mucho más rápido, que cualquier otra fuente de biomasa. Y las algas tienen una utilidad única. Pueden servir como materia prima para alimentos, biocombustibles, plásticos e incluso fibra de carbono (ver nº 5). Cabe destacar que, hace unos cinco años, las algas se consideraban una especie de planta maravillosa, pero el sector no ha despegado realmente y muchas de las primeras empresas han desaparecido.

Materiales novedosos

Aquí es donde encontramos mercados más especulativos y vanguardistas, pero potencialmente trascendentales. El CO2 puede convertirse en materiales de alto rendimiento -compuestos de carbono, fibra de carbono, grafeno- que podrían sustituir a toda una serie de materiales, desde los metales hasta el hormigón.

Por ejemplo, el equipo de C2CNT está utilizando la “electrólisis fundida” para transformar el CO2 directamente en nanotubos de carbono, que son más fuertes que el acero y altamente conductores. Ya se utilizan en aplicaciones de alta gama, como el Boeing Dreamliner y algunos coches deportivos. Pero a medida que se van abaratando, el mercado casi no tiene techo.

Por poner un ejemplo, pensemos en la sustitución del cobre en el cableado eléctrico por nanotubos de carbono. (Prácticamente todas las aplicaciones de la electricidad, desde la estación espacial hasta los vehículos eléctricos o los electrodomésticos, se beneficiarían de un cableado más ligero que condujera mejor.

Y luego está el acero, el metal más utilizado en el mundo, responsable de entre el 7 y el 9 por ciento de las emisiones globales de CO2 procedentes de los combustibles fósiles. Si los materiales basados en el carbono pudieran sustituir al acero a una escala real, podría suponer una reducción de miles de toneladas de emisiones, por no hablar del secuestro permanente de carbono.

Por supuesto, este tipo de investigación sobre materiales está todavía en sus primeras etapas y se necesitarán algunos avances tecnológicos para reducir los costes lo suficiente como para empezar a desplazar otros materiales a escala. Por el momento, los materiales de carbono se están afianzando en los mercados de las boutiques.

Comparación de las tecnologías de CCU en cuanto a coste y potencial

El artículo de Nature comparaba 10 vías diferentes de CCU, incluyendo las naturales, que he excluido aquí, y la EOR, de la que hablé en mi último post. Así que el gráfico de abajo contiene alguna información extraña para nuestros propósitos. No obstante, merece la pena examinarlo con detenimiento, ya que muestra las vías según los costes, el potencial de uso del CO2 y la preparación tecnológica (TRL). Hay dos escenarios, que reflejan el extremo inferior y el extremo superior de las proyecciones.

Naturaleza

El cero en el eje vertical es el “coste de equilibrio” actual (en dólares de 2015), el punto en el que una tecnología es competitiva con las tradicionales. Las que están por debajo de esa línea ya son competitivas. Las que están por encima de la línea necesitarían una subvención proporcional de algún tipo para competir.

La anchura de las barras indica la cantidad de CO2 que la tecnología podría utilizar anualmente en 2050 (según las proyecciones y la opinión de los expertos). Y el color de una barra indica su TRL.

Basado en el escenario optimista alto, algunas de las vías químicas (poliol, urea y metanol) ya son competitivas en cuanto a costes, aunque su potencial de uso de CO2 es relativamente pequeño, cerca de una gigatonelada acumulada.

Las vías del hormigón (áridos y curado) están bastante cerca de ser competitivas en cuanto a costes y el curado, en particular, tiene un potencial bastante grande, sobre todo si se tiene en cuenta que su CO2 cuenta dos veces, una como reducción de emisiones y otra como almacenamiento permanente.

Por desgracia, las vías tecnológicas industriales de CCU con el mayor potencial total de uso de CO2 son las más caras en relación con los titulares.

En conjunto, los combustibles líquidos sintéticos (metanol, metano, éter dimetílico y combustibles Fischer-Tropsch) podrían utilizar más de 4 gigatoneladas de CO2 al año en 2050. (A modo de comparación, las emisiones mundiales de CO2 en 2018 fueron de unas 37 gigatoneladas.) Pero actualmente necesitan algo así como una subvención de 500 dólares por tonelada de CO2 para poder competir.

No obstante, como dice el artículo de Nature, “muchas tecnologías están en fases muy tempranas de desarrollo, y la optimización de costes a través de la investigación y el desarrollo podría cambiar sustancialmente estas estimaciones.” Si hay un objetivo para la I+D concertada que parece obvio, es el de los combustibles sintéticos.

Aquí está la misma información en forma de tabla, si eso es lo que te gusta:

Nature

Una cosa que la tabla deja clara es que los rangos de algunas de estas proyecciones son extremadamente amplios (¿de 0 a 670 dólares?), lo que refleja el enorme grado de incertidumbre existente.

La evolución de estas tecnologías de CCU dependerá de la curva de precios de las energías renovables, de la curva de precios del hidrógeno verde, de la evolución de una serie de mercados y del nivel de I+D y del apoyo político que reciban de los legisladores. Todos ellos son difíciles de predecir por separado; averiguar cómo podrían interactuar hasta 2050 es un juego de adivinanzas.

La UCC puede hacer más si hay una política que la apoye

Las conclusiones del artículo de Nature reflejan la media de un gran número de estudios y expertos, que intentan determinar los costes actuales y lo que ocurrirá.

Pero merece la pena echar al menos un vistazo a algunas estimaciones más optimistas de lo que podría ocurrir con una política de apoyo.

En 2016, la Iniciativa Global del CO2 encargó a Lux Research una completa hoja de ruta para el CCU. No solo proyectó cómo podrían escalar las tecnologías de CCU en condiciones normales, sino también cómo podrían escalar si se siguen las recomendaciones políticas de la hoja de ruta.

Así es como la hoja de ruta evalúa el potencial de reducción de CO de varias tecnologías de CCU:

GCI

Como se puede ver, seguir las “acciones estratégicas” recomendadas por el informe podría ampliar radicalmente el potencial de absorción de CO2 tanto de los agregados como de los combustibles sintéticos. La hoja de ruta estima que, en el límite superior, “más del 10% de las emisiones anuales de CO2 pueden ser capturadas en estos productos.”

Este es el potencial total de ingresos de los mercados de CCU:

De nuevo, los combustibles y los áridos muestran un enorme potencial, que se multiplica por diez o por veinte si se aplica una buena política. La hoja de ruta estima que, en conjunto, los ingresos anuales de los mercados combinados podrían alcanzar entre 800.000 y 1,1 billones de dólares en 2030.

Como ya he dicho, todas estas estimaciones son poco sólidas, pero aún así, si las tecnologías de CCU pueden convertirse en un negocio de más de un billón de dólares que reduzca las emisiones globales en un 10%, parece que merece la pena invertir seriamente en atención y recursos. Cuanto más podamos utilizar, menos emitiremos.

¿Cómo deberían abordar los responsables políticos las tecnologías de CCU? ¿Cuál es la forma correcta de apoyarlas y, más ampliamente, la forma correcta de pensar en ellas en el contexto de la lucha climática más amplia? Abordaré estas cuestiones en mi próximo post.