La captura de carbono y el camino hacia las emisiones netas cero
Resulta paradójico que, si bien el dióxido de carbono (CO2) es esencial para toda la vida vegetal en la Tierra, de la cual dependen la vida animal y humana, un exceso de este gas esencial en la atmósfera está provocando el calentamiento global, lo que amenaza la supervivencia misma de algunas poblaciones.
El problema de las emisiones de CO2 derivadas de la creciente quema de combustibles fósiles se remonta al siglo XVIII, con el inicio de la revolución industrial en ciertos países. Hoy en día, los científicos han estimado que el aumento de las temperaturas globales promedio alcanzará los 1,5oC para el periodo 2030-2052 (Figura 1). El volumen de emisiones de CO2 se ve agravado por la industrialización, la urbanización y el rápido crecimiento de la población mundial (Figura 2).
The 21st Conference of Parties on Climate Change (COP21) in 2015 adopted an ambitious target called the ‘race to zero’ by 2050. This momentous goal of eliminating net carbon emissions completely in under 30 years will require universal changes in global industrial processes and domestic energy practices. The better-known methods to achieve this goal involve various sustainable forms of power generation, such as wind and solar power; however, a less publicized but equally important approach is the capture of CO2 at the source or directly from the atmosphere (carbon capture). The technologies involved are restricted by high costs and somewhat limited storage capacity so currently, only 0.1% of global CO2 emissions are sequestered; this is predicted to rise to 19% by 2050. Research efforts in carbon capture technology have increased in recent years, but to date, only a few applications have been commercially deployed. With increasing public awareness and urgency around preventing or reducing climate change, the pressure is on to devise more efficient carbon capture technologies.
La captura de carbono en CAS Content Collection™
La CAS Content Collection™ es la mayor colección de conocimiento científico publicado curada por expertos, adecuada para el análisis cuantitativo de publicaciones científicas globales frente a variables como el tiempo, el área de investigación, la formulación, la aplicación y la composición química. Para evaluar el esfuerzo de investigación reciente y en curso sobre la captura de carbono, un nuevo e importante informe de CAS Insight ofrece una visión general de las últimas tendencias. El informe resume los resultados de un reciente y exhaustivo análisis (aprox. 18 500 documentos publicados entre 2000 y 2021) que detalla los términos relacionados con la captura de carbono, incluidos los métodos empleados, el almacenamiento o la conversión, los cuales se utilizaron en combinación con términos relacionados con el CO2 atmosférico o su efecto medioambiental.
Tendencias clave de investigación y métodos de captura de carbono
El análisis bibliográfico reveló que, desde 2008, se produjo un rápido aumento en todas las publicaciones sobre captura y almacenamiento de carbono, que se ralentizó después de mediados de la década de 2010, pero que recientemente ha vuelto a incrementarse. Esto podría reflejar las condiciones económicas imperantes y la urgencia percibida, pero también parece estar vinculado a los precios del petróleo. Cuando los precios del petróleo son bajos, la captura de carbono parece demasiado costosa, por lo que los esfuerzos de secuestro y almacenamiento tienden a ser limitados. El análisis recuperó un pequeño número (10%) de patentes relacionadas con la captura de carbono, lo que indica un bajo interés comercial en esta tecnología; sin embargo, recientemente, las cifras han mostrado un alentador crecimiento pronunciado.
Los diversos enfoques para capturar carbono se dividen en cuatro categorías: ciencia de materiales, biológicos, químicos y geológicos.
Enfoques de ciencia de materiales
Los enfoques de ciencia de materiales, incluidos los sistemas para la captura de carbono de gases de combustión, se resumen en la Figura 3 y la Tabla 1. Entre ellos, la captura postcombustión es la más utilizada, al ser adecuada para su adaptación a los conductos de las centrales eléctricas existentes, pero consume mucha energía y, por tanto, su funcionamiento es costoso. Un método emergente, la captura directa de aire, en la que el CO2 se captura directamente del aire, podría tener una amplia aplicación, pero este proceso se ve dificultado por la baja concentración de CO2 atmosférico y tiene un coste elevado.
Tabla 1. Métodos de ciencia de materiales: comparación de los procesos de captura de CO2
Los métodos clave de captura de carbono a partir de gases de combustión se resumen en la Tabla 2. Estos abarcan la absorción química con una solución alcalina y la absorción física mediante disolventes no corrosivos como el metanol o Selexol. Otros enfoques incluyen la adsorción en adsorbentes sólidos porosos, que está bien estudiada, y la filtración por membrana, una tecnología emergente que aún no se utiliza ampliamente debido a su baja eficiencia en la separación de CO2.
Tabla 2. Métodos de ciencia de materiales: comparación de los métodos de captura de CO2 de carbono
Enfoques biológicos
Los enfoques biológicos para la captura de carbono aprovechan en gran medida la fotosíntesis, que representa el mayor flujo de CO2 en la Tierra. Diversos materiales vegetales, como la madera o las algas, se convierten en biocombustibles (biomasa) para su combustión, creando procesos sostenibles y neutros en carbono. Las tecnologías basadas en enzimas tienen potencial como alternativas a los biosistemas. Un ejemplo clave es la 1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa (RubisCO), una enzima muy abundante y estudiada. Sin embargo, su captura de CO2 es naturalmente lenta, pero los trabajos actuales pretenden aumentar la actividad de la RubisCO para crear procesos industrialmente viables.
Enfoques químicos
Existen también múltiples métodos químicos de captura de carbono, como los procesos catalíticos que implican la reducción con hidrógeno, los cuales se han desplegado ampliamente a escala de varias toneladas. Otros métodos muy utilizados incluyen los procesos electroquímicos en los que se emplean protones y un catalizador para reducir el CO2. Los procesos fotoquímicos, fototérmicos y fotoelectroquímicos que utilizan energía limpia son una perspectiva interesante, pero hasta ahora están limitados por la eficiencia en la transferencia de energía lumínica a un sustrato. Los procesos basados en plasma también tienen potencial, pero requieren mucha energía y necesitan un mayor desarrollo para su uso en la captura de carbono.
Enfoques geológicos
Los métodos geológicos de captura de carbono son una solución clave para el almacenamiento a largo plazo de CO2 lejos de la atmósfera. El CO2 capturado puede comprimirse, transportarse e inyectarse en formaciones geológicas porosas profundas o acuíferos salinos. Este proceso tiene capacidad para almacenar gigatoneladas de CO2, pero la selección de emplazamientos adecuados es fundamental.
Análisis bibliográfico de CAS sobre la captura de carbono
El análisis bibliográfico de CAS reveló una baja tasa de publicaciones sobre la captura de CO2 antes de 2007, que alcanzó su punto máximo a principios de la década de 2010 y luego se estabilizó (Figura 4). Hubo menos publicaciones sobre precombustión y combustión con oxicombustible, probablemente debido a la dificultad económica de adaptar las instalaciones actuales, pero estas han aumentado más recientemente. La presentación de patentes pareció aumentar en 2012 y luego estabilizarse, lo que indica un interés comercial continuo.
El análisis de CAS también mostró que las publicaciones sobre diversos métodos químicos de conversión de CO2 aumentaron rápidamente en los últimos seis años en comparación con los años anteriores (Figura 5). Entre ellos, la metanización, los procesos mediados por plasma y los métodos de desplazamiento reverso del gas de agua mostraron el mayor interés.
El número de publicaciones indica un rápido aumento del interés por la fijación biológica de CO2, pero la presentación de patentes ha sido constante, lo que refleja que pocas tecnologías están listas para su comercialización (Figura 6). Sin embargo, las publicaciones sobre Bioenergía con Captura y Almacenamiento de Carbono (BECCS) mostraron un gran interés.
Las publicaciones sobre el almacenamiento geológico de CO2 aumentaron de forma constante y alcanzaron su punto máximo en 2013, pero disminuyeron posteriormente (Figura 7). Los términos de búsqueda que incluyen "acuífero", "salino", "salmuera", "esquisto" y "clatrato" encontraron más publicaciones que otros en los últimos años, lo que refleja un mayor interés en estos tipos de almacenamiento.
Convertir el sueño en realidad
El análisis bibliográfico de CAS de 18.500 publicaciones indica un interés sustancial y creciente en muchos de los diferentes enfoques para el secuestro de CO2 sequestration. En la actualidad, ningún método predomina; pocos se han puesto en uso generalizado, pero el análisis indica un esfuerzo de investigación considerable para aprovechar las tecnologías existentes y desarrollar otras nuevas. El número de solicitudes de patentes fue menor que el de artículos de investigación, pero mostró interés comercial en algunas tecnologías. Es probable que los resultados más recientes reflejen una mayor concienciación pública sobre el calentamiento global y la comprensión de que las acciones para contrarrestarlo son imperativas. La aparente correlación entre la actividad investigadora y las condiciones económicas y el precio del petróleo puede disminuir a medida que aumente la urgencia. Las tendencias de publicación determinadas por CAS sugieren que el ritmo de investigación y despliegue tecnológico probablemente continuará a un ritmo que solo se soñaba en el año 2000, impulsado ahora por la realidad cada vez más evidente del calentamiento global.
