Reciclando el Carbono: Extrayendo Combustible del Aire

24 de julio de 2012

El reciclaje de botellas, latas, y periódicos es tan sólo una pequeña lista de simples acciones para lograr un medio ambiente más limpio. Ojalá fuera tan fácil como recolectar y reutilizar el dióxido de carbono de los gases del efecto invernadero que el mundo está generando de manera masiva cada día al quemar los combustibles fósiles.

De hecho, un grupo de empresas emprendedoras e investigadores, esperan hacer exactamente eso.

Reciclar el dióxido de carbono es mucho más complejo que colocar diferentes cubos de basura para el vidrio, aluminio, y papel. Pero muchos científicos creen que no sólo vale la pena el esfuerzo, sino que es un proyecto crucial. Argumentan que el cambio climático es una amenaza tan grande para el planeta que cualquier iniciativa dirigida a solucionar el problema tendrá que incluir tecnologías bautizadas como del “carbono-negativo”. Esto significa que de hecho absorben los gases del efecto invernadero de la atmósfera y hacen algo productivo con ellos.

La idea de capturar el dióxido de carbono (CO2) de las centrales eléctricas que usan carbón o petróleo como combustibles y almacenarlo bajo tierra ha suscitado mucho interés. Existen actualmente varios proyectos piloto y otros en construcción, pese a que un proyecto de gran envergadura se abandonó el mes pasado en West Virginia por culpa de los costes.

Se ha prestado menos atención a la idea de reutilizar o reciclar el CO2. Pero la ciencia hace tiempo que sabe que es posible recombinar el carbono del CO2 con el hidrógeno del agua para crear hidrocarburos. En otras palabras, para crear combustibles tan conocidos como la gasolina. El problema, irónicamente, es que el proceso requiere mucha energía.

Pero investigadores pioneros y empresarios emprendedores argumentan que la tecnología que se necesita está cerca, y que pronto se podría conseguir reciclar el CO2 y convertirlo en combustible para los motores actuales. Incluso podría incluir tecnologías capaces de absorber el dióxido de carbono directamente del aire, en vez de hacerlo del gas de combustión de las centrales térmicas de carbón. (Ver tema relacionado, “Obtener algo de la nada: La Misión de capturar el Dióxido de Carbono”). En vez de perforar para encontrar combustibles para alimentar los coches y camiones, dicen que se podrían extraer los ingredientes para obtener hidrocarburos directamente del aire.

“Tenemos un montón de CO2, y es nocivo, así que ¿qué vamos a hacer con ello?” pregunta Byron Elton, director ejecutivo de “Carbon Sciences”, una empresa pionera de Santa Barbara, en California. “La gente dice, comprímelo, y escóndelo. Nosotros les contestamos, no, dádnoslo a nosotros y lo convertiremos en gasolina”.

Peter Eisenberger, un físico que fundó el Instituto de la Tierra de la Universidad de Columbia, es cofundador del Termostato Global, una compañía que trabaja en una tecnología para capturar el dióxido de carbono del aire con el objetivo de reciclarlo, no de almacenarlo. “En mi opinión, cerrar el ciclo del carbono y tener la tecnología para combinar el CO2 y el hidrógeno es un futuro maravilloso,” afirma Eisenberger. “Imagina un futuro donde las mayores fuentes de combustible sean el agua y el CO2”.

Energía que entra, Energía que sale.

Por supuesto, el petróleo perforado y extraído de la tierra posee la energía solar almacenada durante eones en las plantas, y que se ha concentrado como materia orgánica.  Millones de años de calor y presión, la energía en esa materia orgánica se ha concentrado aún más para formar hidrocarburos como el petróleo, el gas natural, y el carbón.

Cualquiera que intente crear hidrocarburos para usar como combustible fuera del entorno subterráneo deberá proporcionar la suficiente energía para aislar los átomos de hidrógeno y de carbono y luego unirnos. “Aquí nada es gratis”, dice Hans Ziock, un miembro del equipo técnico en el Departamento de Energía de los EEUU (en inglés DOE) del Laboratorio Nacional de Los Alamos, coautor de un estudio de  investigación sobre el modo de capturar el carbono del aire.

“Debes invertir energía si quieres volver a crear combustible”, explica. “Y ya que la recreación nunca es eficiente al cien por cien, sueles invertir más energía de la que obtienes después”. Debido a la “penalización” que se aplica a crear combustible de hidrocarburos de manera indirecta, afirma que siempre ha sido más lógico para la sociedad usar los combustibles líquidos que proceden del crudo, siempre que éste esté disponible. “Si la naturaleza ha hecho esto gratis por nosotros, ¿por qué no aprovecharlo?” afirma Ziock.

Sin embargo, en un mundo que está extrayendo crudo de las más profundas aguas, de las arenas alquitranadas, y buscándolo bajo las fronteras Árticas, puede que haya llegado la hora de buscar alternativas. Ziock cree que sólo la esperanza de conseguir mayor autosuficiencia energética ya hace que la investigación en el terreno del reciclaje del dióxido de carbono valga la pena. Pero advierte que, con el objetivo de reducir también las emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera, los beneficios de este plan serán limitados a no ser que la energía para crear los hidrocarburos provenga de un origen diferente al usual de tener que quemar más combustible fósil para lograrlo.

Es por ello que el enfoque en el proyecto “Luz al Petróleo” de los Laboratorios Nacionales de Sandia del DOE de los EEUU en Albuquerque, Nuevo Méjico, y en Livermore en California, han estado creando un motor de calor químico de alta eficiencia basado en la energía solar concentrada para hacer funcionar su proceso para crear combustible.

“Los hidrocarburos como combustible tienen mucha energía concentrada”, dice Ellen Stechel, que dirige el proyecto Sandia. “Toda la energía vino en su día del sol, y debe volver a hacerlo, pero más rápidamente y con mayor eficiencia”. Para crear un combustible de hidrocarburos, afirma que es posible usar la energía solar, tal y como hace la naturaleza. “Pero necesitamos recogerla de un área muy amplia y concentrarla muy densamente,” explica. “La gente dice que la luz del sol es gratis, cierto, pero los recolectores necesarios para recogerla no lo son”.

El prototipo de reactor solar que han desarrollado los investigadores del proyecto Sandia está diseñado para utilizar un enorme conjunto de espejos para recolectar y concentrar la luz solar en un haz muy potente que está dirigido hacia unos anillos de óxido metálico dentro de cada reactor. Los anillos rotan entrando y saliendo de la luz, y se calientan a temperaturas superiores a 2,550ºF (1,400ºC), y luego se enfrían a menos de 2,010ºF (1,100ºC). Esos anillos luego se exponen al dióxido de carbono o al agua. A la más alta temperatura, esos anillos de óxido metálico producen oxígeno y a la menor temperatura los anillos roban átomos de oxígeno ya sea del CO2 o de las moléculas de H2O. Esa reacción termoquímica deja como residuo el monóxido de carbono o el gas hidrógeno (la mezcla de ambos se conoce como “syngas”) los “ladrillos” necesarios para crear el combustible de hidrocarburos.

El prototipo del colector solar de Sandia tiene un área de unos 20 metros cuadrados (215 pies cuadrados) para un reactor del tamaño de un barril de cerveza, afirma Stechel. Se necesitarían unos 300.000 acres (121.400 hectáreas) de espejos para recoger suficiente luz solar para el equivalente de 1 millón de barriles de crudo al día, afirma. (El mundo consume actualmente unos 86 millones de barriles al día de petróleo y de otros combustibles líquidos, incluyendo biocombustibles).

Stechel afirma que la durabilidad de las piezas sigue siendo un asunto importante, y los investigadores continúan trabajando para conseguir que el sistema sea lo más eficiente posible y que por ello sea un éxito desde el punto de vista comercial y pueda usarse a gran escala.

El Catalizador del Cambio

La empresa de Elton, Carbon Sciences (Ciencias del Carbón), está concentrada en la fase posterior a la recolección: convertir el carbono en combustible. Lo consigue combinando CO2 con gas natural en presencia de un catalizador metálico propio que ha desarrollado y patentado. (La compañía afirma que está fabricado con materiales comunes, como el níquel y el cobalto, apoyados por el aluminio y el magnesio).

Carbon Sciences afirma que su instalación de pruebas tiene éxito al combinar CO2 con metano (el principal constituyente del gas natural) para producir syngas, que puede ser transformado en combustibles ordinarios.

El proceso de convertir el syngas en combustible para el trasporte es una tecnología ya conocida, y de hecho ya hay instalaciones comerciales que convierten el gas en líquido en el mundo. Pero esos procesos se basan en el vapor o la oxidación para producir el syngas. Carbon Sciences afirma que el proceso de reforma del CO2, o reforma seca del gas natural sería un cambio importante ya que produciría combustible mientras que utilizaría también el CO2 de desecho, que en cualquier otro caso sería liberado a la atmósfera. Además, afirma Elton, utilizar el CO2 que ya está disponible como reactivo debería reducir tanto los costes económicos como los operativos, en comparación con los enfoques comerciales que utilizan oxígeno, que es caro y requiere muchos recursos.

“Creemos que nuestro enfoque será la clave para reducir los costes de la transformación de los gases del efecto invernadero a escala global”, afirma.

Aunque ha habido esfuerzos para conseguir el reformado seco en el pasado, Carbon Sciences afirma que su catalizador tiene una robustez única y es capaz de soportar el duro proceso industrial para producir el combustible. El catalizador también está formado por metales más económicos y abundantes que los que se utilizaron en versiones anteriores.

Por supuesto, ya que el combustible producido será el que sustituya las gasolinas y diesel ordinarios, la conducción seguirá liberando CO2 a la atmósfera. Pero Elton afirma que hay ventajas sustanciales al utilizar combustible reciclado. “El carbono… se usa dos veces, en vez de liberarlo a la atmósfera,” dice. “También se ocupa por fin del tema de la seguridad energética” ya que el combustible puede producirse en nuestro propio país de dos recursos abundantes en los Estados Unidos, el CO2 y el gas natural.

Científicos independientes afirman que las ventajas en cuanto al CO2 de este sistema dependerán de su diseño, incluyendo de dónde consiga su energía. Elton recuerda que minimizar la energía será una prioridad, con la posibilidad de un sistema integrado que use parte de la energía o combustible creados en el proceso. Insiste en que el proceso de Carbon Sciences para crear combustible es neutral a nivel del CO2, en contraste con el proceso de refinado del crudo para obtener gasolina, que causa un uso de energía que libera CO2 incluso antes de que el combustible alcance el depósito de gas. Después de unas pruebas con resultados esperanzadores a principios de año, Elton afirmó en Julio que su compañía está trabajando en un proyecto de demostración para producir muestras de combustible diesel que pueden ser utilizadas por vehículos diesel existentes, como pueden ser camiones y autobuses.

Es importante destacar que en el proceso de reformado, el gas natural proporciona parte de los hidrocarburos del combustible. Otros esfuerzos destinados a reciclar el CO2 en combustible buscan conseguir todos los hidrocarburos solamente del CO2.

En el Reino Unido, “Air Fuel Synthesis” (Síntesis del Combustible del Aire) tiene como objetivo usar el CO2 atmosférico y la energía eólica para producir combustibles para la aviación en una demostración conceptual con un ratio inicial de 1 litro (un cuarto de galón) al día.

Rellenarse con Renovables

Pese a que los retos son grandes, la investigación es importante, afirma un informe publicado el mes pasado por el Centro para el Futuro bajo en Hidrocarburos, en Inglaterra. Investigadores de la Universidad de Sheffield y del Centro de Investigación Energética de Los Países Bajos afirman que lo que ellos llaman “La Captura y Utilización del Carbono” podría solventar muchos de los problemas de la captura y almacenaje del carbono, incluyendo la dificultad de encontrar suficiente espacio subterráneo, la posibilidad de filtraciones, temas de responsabilidad a largo plazo, y problemas con la aceptación social. Crear algo con valor también ayudaría a cubrir los costes de la captación del carbono, afirmaron los investigadores.

Y crear combustibles líquidos a partir del reciclaje del carbono podría ser importante a largo plazo para una sociedad que tiene como objetivo liberarse de su dependencia del crudo. Pese a que ha habido mucho entusiasmo con los coches eléctricos, el estudio recordó que las baterías eléctricas aún no pueden proporcionar energía para la aviación y el transporte marítimo y terrestre a distancia. El reciclaje de CO2 debería ser el camino para conseguir introducir la energía renovable en los tanques de gasolina de los motores de combustión ordinarios, afirmó el estudio.

Por eso, Stechel, de Sandia, afirma que los beneficios de la “combustión revertida” o de “cerrar el círculo” del CO2 pueden ser enormes. “Podríamos tener una tecnología que podría producir los mismos combustibles que obtenemos del petróleo y preservar la infraestructura que tenemos hoy en día”, dice, “combustibles que podrían utilizarse tanto para los vehículos de hoy como para los del día de mañana.”