Un combustible neutro en carbono es un combustible que no genera emisiones netas de gases de efecto invernadero ni huella de carbono . En la práctica, esto suele significar combustible que se produce utilizando dióxido de carbono (CO 2 ) como materia prima . Los combustibles neutros en carbono propuestos se pueden dividir en términos generales en combustibles sintéticos , que se producen mediante la hidrogenación química del dióxido de carbono, y biocombustibles , que se producen mediante procesos naturales que consumen CO2 , como la fotosíntesis .
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 producirse a partir del ácido carbónico del agua de mar . Los ejemplos de combustibles sintéticos incluyen hidrógeno , amoníaco y metano [1] , aunque también se han sintetizado artificialmente con éxito hidrocarburos más complejos como la gasolina y el queroseno [2] . Además de ser carbono neutral, estos combustibles renovables pueden reducir el costo de importar combustibles fósiles y reducir la dependencia de ellos. Una ventaja adicional puede ser la ausencia de la necesidad de cambiar los vehículos a un propulsor eléctrico o combustible de hidrógeno [3] . Para que un proceso sea verdaderamente neutral en carbono, cualquier energía necesaria para el proceso debe ser neutral en carbono, como la energía renovable o la energía nuclear [4] [5] [6] [7] .
Si la combustión de combustible sin emisiones de carbono captura carbono en la chimenea o el tubo de escape, genera emisiones netas negativas de dióxido de carbono y, por lo tanto, puede representar una forma de recuperación de gases de efecto invernadero . Las emisiones negativas se consideran el componente principal de los esfuerzos para limitar el calentamiento global, aunque las tecnologías que las proporcionan no son actualmente económicamente competitivas [8] . Es probable que los créditos de carbono desempeñen un papel importante en la promoción de los combustibles de carbono negativo [9] .
Los combustibles neutros en carbono son hidrocarburos sintéticos. Su principal fuente son las reacciones químicas entre el dióxido de carbono y el hidrógeno, que se forma durante la electrólisis del agua utilizando fuentes de energía renovables. El combustible, a menudo denominado combustible eléctrico , es el almacenamiento de energía utilizado para producir hidrógeno [10] . El carbón también se puede utilizar para producir hidrógeno, pero no será una fuente neutra en carbono. El dióxido de carbono se puede capturar y enterrar, lo que hace que los combustibles fósiles sean neutros en carbono, aunque no renovables. La captura de carbono de los gases de escape puede convertir un combustible neutro en carbono en un combustible negativo en carbono. Los hidrocarburos naturales se pueden descomponer para formar hidrógeno y dióxido de carbono, que luego se eliminan mientras el hidrógeno se usa como combustible. Este proceso también será neutro en carbono [11] .
El combustible más eficiente desde el punto de vista energético y tecnológicamente avanzado en la producción es el hidrógeno gaseoso [12] , que se puede utilizar en vehículos con pilas de combustible de hidrógeno. El combustible de hidrógeno generalmente se produce por la electrólisis del agua . El metano, es decir, el gas natural sintético, se puede producir a través de la reacción de Sabatier , que se puede almacenar para su posterior combustión en centrales eléctricas , transportarse por tubería, camión o tanque de gas, utilizarse en procesos de gas-líquido como el proceso Fischer-Tropsch . para la producción de combustibles líquidos para el transporte o la calefacción [3] [13] [14] .
Hay varios combustibles más que se pueden crear utilizando hidrógeno. El ácido fórmico, por ejemplo , puede obtenerse haciendo reaccionar hidrógeno con CO2 . El ácido fórmico en combinación con CO 2 puede formar isobutanol [15] .
El metanol se puede obtener como resultado de la reacción química de una molécula de dióxido de carbono con tres moléculas de hidrógeno para formar agua. La energía almacenada se puede recuperar quemando metanol en un motor de combustión interna, liberando dióxido de carbono, agua y calor. El metano se puede obtener mediante una reacción similar. Es importante tomar precauciones especiales contra fugas porque el metano es casi 100 veces más fuerte que el CO 2 en términos de potencial de calentamiento global . Además, es posible combinar químicamente metanol o moléculas de metano en moléculas de combustible de hidrocarburo más grandes [3] .
Los investigadores también sugirieron usar metanol para producir éter dimetílico . Este combustible se puede utilizar como sustituto del combustible diesel debido a su capacidad de autoignición a alta presión y temperatura. Ya se utiliza en algunas áreas para calefacción y producción de energía. No es tóxico pero debe almacenarse bajo presión [16] . Los hidrocarburos más grandes [12] y el etanol [17] también se pueden producir a partir de dióxido de carbono e hidrógeno.
Todos los hidrocarburos sintéticos se obtienen normalmente a temperaturas de 200-300°C ya presiones de 20 a 50 bar. Los catalizadores se usan comúnmente para aumentar la eficiencia de la reacción y crear el tipo deseado de combustible de hidrocarburo . Tales reacciones son exotérmicas y utilizan alrededor de 3 moles de hidrógeno por mol de dióxido de carbono involucrado. También producen grandes cantidades de agua como subproducto [4] .
La fuente más económica de carbono para su transformación en combustible son las emisiones de gases de combustión de la combustión de combustibles fósiles , donde se puede obtener a unos 7,50 dólares EE.UU. por tonelada [6] [18] [13] . Sin embargo, el proceso no es neutro en carbono porque el carbono es de origen fósil y se mueve de la geosfera a la atmósfera. La captura de los gases de escape de los vehículos también se considera económica, pero requeriría mejoras o cambios de diseño significativos [19] . Dado que el dióxido de carbono del agua de mar está en equilibrio químico con el dióxido de carbono atmosférico, se está estudiando la extracción de carbono del agua de mar [20] [21] . Los investigadores calcularon que extraer carbono del agua de mar costaría alrededor de $50 por tonelada [7] . La captura de carbono del aire atmosférico es más costosa, oscila entre $94 y $232 por tonelada, y se considera poco práctica para la síntesis de combustible o el secuestro de carbono [22] . La captura de aire está menos desarrollada que otros métodos. Por lo general, los álcalis se usan para reaccionar con el dióxido de carbono en el aire y formar carbonatos . Luego, los carbonatos se pueden descomponer e hidratar para liberar CO2 puro y regenerar el álcali . Este proceso requiere más energía que otros métodos porque la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera es mucho menor que en otras fuentes [3] .
Además, se propone utilizar la biomasa como fuente de carbono para la producción de combustible. Agregar hidrógeno a la biomasa reducirá la cantidad de carbono en ella y conducirá a la formación de combustible. Este método tiene la ventaja de utilizar materia vegetal para capturar dióxido de carbono de forma económica. Las plantas también agregan energía química de moléculas biológicas al combustible. Este puede ser un uso más eficiente de la biomasa que los biocombustibles convencionales porque utiliza más carbono y 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 de etanol convencional, compite con la producción de alimentos [4] .
La energía eólica nocturna se considera la forma de electricidad más económica que se puede utilizar para sintetizar combustibles porque la curva de carga de los sistemas de energía alcanza un pico pronunciado durante el día, mientras que el viento tiende a ser un poco más fuerte durante la noche que durante el día. Por lo tanto, el costo de la energía eólica nocturna suele ser mucho más bajo que el costo de cualquier alternativa. Los precios de la energía eólica fuera de las horas punta en las zonas de mucho viento de los EE. UU. promediaron 1,64 centavos/ kWh en 2009 y solo 0,71 centavos/kWh por la noche [3] . Como regla general, el precio mayorista de la electricidad durante el día es de 2 a 5 centavos por kilovatio-hora. Las empresas comerciales de síntesis de combustible asumen que la gasolina sintética se vuelve más barata que la gasolina regular a precios del petróleo superiores a $55 por barril.
En 2010, un equipo de tecnólogos químicos dirigido por Heather Willauer de la Marina de los EE. UU. calculó que con 100 MW de energía eléctrica, se podrían producir 160 m³ de combustible para aviones por día , y la producción a bordo de barcos de propulsión nuclear costaría alrededor de $ 1,600 por día. metro cúbico ($6 por galón estadounidense). Si bien esto fue aproximadamente el doble del costo del fuel oil en 2010, se esperaba que estuviera muy por debajo del precio de mercado en menos de cinco años si continúan las tendencias recientes. Además, dado que entregar combustible a un grupo de portaaviones cuesta alrededor de $ 8 por galón estadounidense , la producción local es mucho más barata [23] .
Willauer señala que el agua de mar es "la mejor opción" como fuente de carbono para el combustible sintético para aviones [24] [25] . En abril de 2014, el equipo de Willauer aún no había producido combustible según los estándares de las aeronaves militares [26] [27] , pero en septiembre de 2013 pudieron usar combustible sintético para hacer volar un modelo controlado por radio propulsado por dos motores de combustión interna de dos tiempos [ 28] . Dado que este proceso requiere grandes cantidades de electricidad, los primeros portadores de la instalación para la producción de su propio jet fuel serán portaaviones nucleares del tipo Nimitz y Gerald Ford [29] . Se espera que la Marina de los EE. UU. implemente esta tecnología en la década de 2020.
La planta de síntesis de metano de 250 kilovatios fue construida por el Centro de Investigación de Energía Solar e Hidrógeno (ZSW) en Baden-Württemberg y la Sociedad Fraunhofer en Alemania y comenzó a funcionar en 2010. Se está actualizando a 10 megavatios y su finalización está prevista para el otoño de 2012 [30] [31] .
La planta de dióxido de carbono George Ohl , operada por Carbon Recycling International en Grindavik , Islandia, ha estado produciendo 2 millones de litros de combustible de transporte de metanol por año desde 2011 a partir de los gases de combustión de la planta de energía de Swarzengi [32] . Su capacidad máxima es de 5 millones de litros por año [33] .
Audi ha construido una planta de gas natural licuado (GNL) sin emisiones de carbono en Werlte, Alemania [34] . La planta está diseñada para producir el combustible de transporte utilizado en sus vehículos A3 Sportback g-tron y puede, en su capacidad original, extraer 2.800 toneladas métricas de CO 2 al año [35] de la atmósfera .
Se están produciendo desarrollos comerciales en Columbia (Carolina del Sur) [36] , Camarillo (California) [37] y Darlington (Reino Unido) [38] . Un proyecto de demostración en Berkeley, California, propone la síntesis de combustibles y aceites comestibles a partir de gases de combustión recuperados [39] .
Los combustibles neutros en carbono pueden conducir a la recuperación de gases de efecto invernadero porque el dióxido de carbono se reutilizará para producir combustible en lugar de emitirse a la atmósfera. La eliminación del dióxido de carbono de los escapes de las centrales eléctricas eliminará su liberación a la atmósfera, aunque cuando se quema combustible en los vehículos, se liberará carbono porque no existe una forma económica de capturar estas emisiones [3] . Este enfoque, utilizado en todas las centrales eléctricas de combustibles fósiles, reduciría las emisiones netas de dióxido de carbono en aproximadamente un 50 %. Se prevé que la mayoría de las centrales eléctricas alimentadas con carbón y gas natural se readaptarán económicamente con depuradores de dióxido de carbono para la captura de carbono, la recirculación de gases de escape o el secuestro de carbono [40] [18] [41] . No solo se espera que dicha refinación cueste menos que los impactos económicos excesivos del cambio climático, sino que también dará sus frutos a medida que la creciente demanda mundial de combustible y la escasez máxima de petróleo hagan subir el precio del petróleo y el gas natural fungible [42] [43] .
Capturar CO 2 directamente del aire o extraer dióxido de carbono del agua de mar también reducirá la cantidad de dióxido de carbono en el medio ambiente y creará un ciclo de carbono cerrado para eliminar nuevas emisiones de dióxido de carbono [4] . El uso de estos métodos eliminará por completo la necesidad de carbón, petróleo y gas, suponiendo que la energía renovable sea suficiente para producir combustible. El uso de hidrocarburos sintéticos para producir materiales sintéticos, como los plásticos, puede resultar en el secuestro permanente de carbono de la atmósfera [3] .
Algunas autoridades han recomendado la producción de metanol en lugar del combustible de transporte tradicional. Es un líquido a temperatura normal, 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. Las pilas de combustible de metanol han sido desarrolladas por el Laboratorio de Propulsión a Chorro del Instituto de Tecnología de California para convertir el metanol y el oxígeno en electricidad [16] . El metanol se puede convertir en gasolina, combustible para aviones u otros hidrocarburos, pero esto requiere energía adicional e instalaciones de producción más sofisticadas [3] . El metanol es un poco más corrosivo que los combustibles tradicionales, por lo que requiere una modificación del automóvil que cuesta alrededor de US$100 [4] [44] .
En 2016, se desarrolló un método para convertir el dióxido de carbono en etanol utilizando picos de carbono , nanopartículas de cobre y nitrógeno.
Los combustibles hechos de microalgas tienen el potencial de tener una huella de carbono baja y son un área de investigación activa, aunque hasta la fecha no se ha implementado ningún sistema de producción a gran escala. Las microalgas son organismos unicelulares acuáticos . Aunque, a diferencia de la mayoría de las plantas, tienen una estructura celular extremadamente simple, todavía son fotoautótrofas , capaces de usar la energía solar para convertir el dióxido de carbono en carbohidratos y grasas a través de la fotosíntesis . Estos compuestos pueden servir como materia prima para biocombustibles como el bioetanol o el biodiesel [45] . Por lo tanto, incluso si la combustión de combustibles a base de microalgas todavía produjera emisiones como cualquier otro combustible, podría ser neutral en carbono si se absorbiera la misma cantidad de dióxido de carbono en general 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 [46] y su capacidad para crecer en una amplia variedad de hábitats acuáticos [47] . Su principal desventaja es su alto costo. Se ha argumentado que su química única y altamente variable puede hacerlos atractivos para algunas aplicaciones [45] .
Las microalgas que contienen altas cantidades de proteínas se pueden utilizar como alimento para el ganado . Algunas especies de microalgas producen compuestos valiosos como pigmentos y productos farmacéuticos [48] .
ProducciónLos dos métodos principales para el cultivo de microalgas son los sistemas de drenaje y los fotobiorreactores (PBR). Los sistemas Raceway Pond consisten en un canal ovalado de circuito cerrado que tiene una rueda de paletas para hacer circular el agua y evitar que se asiente. El canal se encuentra a cielo abierto, su profundidad está en el rango de 0,25-0,4 m [45] . El estanque debe ser poco profundo, ya que la autosombra y la absorción óptica pueden conducir a una penetración de luz limitada. El medio nutritivo del fotobiorreactor consta de tubos de ensayo transparentes cerrados. Dispone de un depósito central por el que circula el caldo de microalgas. El fotobiorreactor es un sistema más simple de operar, pero requiere un costo total de producción más alto.
Las emisiones de carbono de la biomasa de microalgas producidas en las aguas de escorrentía pueden compararse con las emisiones del biodiésel convencional cuando el consumo de energía y nutrientes se considera intensivo en carbono. Las emisiones correspondientes de la biomasa de microalgas producidas en los fotobiorreactores pueden incluso superar las emisiones del combustible diésel fósil convencional. La ineficiencia está relacionada con la cantidad de electricidad utilizada para bombear el caldo de algas a través del sistema. Usar el subproducto para generar electricidad es una estrategia que puede mejorar el balance general de carbono. También se debe tener en cuenta que las emisiones de carbono pueden ocurrir en varias industrias de servicios: gestión del agua, manejo del dióxido de carbono y suministro de nutrientes. Pero, en general, los sistemas Raceway Pond muestran un balance de energía más atractivo que los sistemas de fotobiorreactores.
EconomíaEl costo de producir microalgas y biocombustibles a través de la implementación de sistemas de cuencas está dominado por los costos operativos, que incluyen mano de obra, materias primas y servicios públicos. En el sistema de reservorio con drenaje durante el proceso de cultivo, el mayor gasto es la energía eléctrica para asegurar la circulación de los cultivos de microalgas, que oscila entre el 22% y el 79% [45] . Por el contrario, en los fotobiorreactores los costes de capital priman sobre los costes de producción. Este sistema tiene un alto costo de instalación, aunque los costos de operación son relativamente más bajos que los de los sistemas de cuencas hidrográficas.
El biocombustible de microalgas es más caro que los combustibles fósiles, alrededor de $ 3 por litro [49] , que es significativamente más caro que la gasolina regular.
Impacto ambientalLa construcción de granjas de microalgas a gran escala conducirá inevitablemente a impactos ambientales negativos asociados con el cambio de uso de la tierra , como la destrucción de los ecosistemas naturales existentes. Las microalgas también pueden emitir gases de efecto invernadero como el metano o el óxido nitroso , o gases malolientes como el sulfuro de hidrógeno, bajo ciertas condiciones , aunque esto no ha sido ampliamente estudiado hasta la fecha. Si no se gestionan adecuadamente, las toxinas producidas naturalmente por las microalgas pueden filtrarse en el suelo o en las aguas subterráneas [50] .
ProducciónEl agua se somete a electrólisis a altas temperaturas para formar hidrógeno gaseoso y oxígeno gaseoso. La energía para esto proviene de fuentes renovables como la energía eólica. Luego, el hidrógeno reacciona con el dióxido de carbono comprimido capturado de la atmósfera . Como resultado de la reacción, se forma un aceite azul, que consiste en una mezcla de hidrocarburos. A continuación, el aceite azul se refina para producir diésel de alto rendimiento [51] [52] . Con la capacidad de producción actual, se pueden producir alrededor de 1.000 litros de combustible al mes, o el 0,0002 % de la producción diaria de combustible en los Estados Unidos. [53] Además, se ha cuestionado la viabilidad termodinámica y económica de esta tecnología. Por lo tanto, esta tecnología no crea una alternativa a los combustibles fósiles, sino que convierte la energía renovable en combustibles líquidos. Se estima que el rendimiento energético de la energía invertida en combustible diésel fósil es 18 veces mayor que el del combustible diésel sintético. [54]
La investigación sobre combustibles neutros en carbono se ha llevado a cabo durante décadas. Ya en 1965, se propuso sintetizar metanol a partir del dióxido de carbono del aire usando energía nuclear [55] . La producción marina de combustibles sintéticos utilizando energía nuclear se estudió en 1977 y 1995 [56] [57] En 1984, se estudió la recuperación de dióxido de carbono de las plantas de combustibles fósiles [58] . En 1995, se estimó el costo de convertir barcos para usar metanol neutro en carbono con más síntesis de gasolina [44] .