Combustible neutro en carbono

El combustible neutro en carbono es aquel que no produce emisiones netas de gases de efecto invernadero ni huella de carbono. En la práctica, esto suele significar combustibles fabricados con dióxido de carbono (CO₂) como materia prima. Los combustibles neutros en carbono propuestos se pueden agrupar en términos generales en combustibles sintéticos, que se fabrican 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 derivarse del ácido carbónico del agua de mar. Los ejemplos comunes de combustibles sintéticos incluyen amoníaco y metano, aunque también se han sintetizado artificialmente con éxito hidrocarburos más complejos, como la gasolina y el combustible para aviones. Además de ser neutrales en carbono, estos combustibles renovables pueden aliviar los costos y los problemas de dependencia de los combustibles fósiles importados sin requerir la electrificación de la flota de vehículos o la conversión a hidrógeno u otros combustibles, lo que permite la continuidad de vehículos compatibles y asequibles. Para ser verdaderamente neutral en carbono, cualquier energía requerida para el proceso debe ser neutral en carbono o libre de emisiones, como la energía renovable o la energía nuclear.

Si la combustión de combustibles neutros en carbono está sujeta a la captura de carbono en la chimenea, dan como resultado una emisión neta negativa de dióxido de carbono y, por lo tanto, pueden constituir una forma de remediación de gases de efecto invernadero. Las emisiones negativas se consideran ampliamente un componente indispensable de los esfuerzos para limitar el calentamiento global, aunque las tecnologías de emisiones negativas actualmente no son económicamente viables para las empresas del sector privado. Es probable que los créditos de carbono desempeñen un papel importante para los combustibles de carbono negativo.

Producción de hidrocarburos sintéticos

Los hidrocarburos sintéticos se pueden producir en reacciones químicas entre el dióxido de carbono, que se puede capturar de las centrales eléctricas o del aire, y el hidrógeno. El combustible, a menudo denominado electrocombustible, almacena la energía que se utilizó en la producción de hidrógeno.

El combustible de hidrógeno normalmente se prepara mediante la electrólisis del agua en un proceso de energía a gas. Para minimizar las emisiones, la electricidad se produce utilizando una fuente de energía de bajas emisiones, como la energía eólica, solar o nuclear.

A través de la reacción de Sabatier, se puede producir metano que luego se puede almacenar para quemarlo más tarde en plantas de energía (como gas natural sintético), transportarse por tubería, camión o barco cisterna, o usarse en procesos de gas a líquido como el Proceso Fischer-Tropsch para fabricar combustibles tradicionales para transporte o calefacción.

Hay algunos combustibles más que se pueden crear usando hidrógeno. El ácido fórmico, por ejemplo, se puede hacer haciendo reaccionar el hidrógeno con CO2 _. El ácido fórmico combinado con CO ₂ puede formar isobutanol.

El metanol se puede hacer a partir de una reacción química de una molécula de dióxido de carbono con tres moléculas de hidrógeno para producir metanol y agua. La energía almacenada se puede recuperar quemando el metanol en un motor de combustión, liberando dióxido de carbono, agua y calor. El metano se puede producir en una reacción similar. Es importante tomar precauciones especiales contra las fugas de metano, ya que el metano es casi 100 veces más potente que el CO ₂, con respecto al potencial de calentamiento global de 20 años. Se puede usar más energía para combinar metanol o metano en moléculas de combustible de hidrocarburo más grandes.

Los investigadores también han sugerido usar metanol para producir éter dimetílico. Este combustible podría usarse como sustituto del combustible diésel debido a su capacidad de autoinflamarse a alta presión y temperatura. Ya se está utilizando en algunas áreas para calefacción y generación de energía. No es tóxico, pero debe almacenarse bajo presión. Los hidrocarburos más grandes y el etanol también se pueden producir a partir de dióxido de carbono e hidrógeno.

Todos los hidrocarburos sintéticos se producen generalmente a temperaturas de 200 a 300 °C y a presiones de 20 a 50 bar. Los catalizadores generalmente se usan para mejorar 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.

Fuentes de carbono para reciclar

La fuente más económica de carbono para reciclar en combustible son las emisiones de gases de combustión de la combustión de combustibles fósiles, donde se puede obtener por alrededor de 7,50 dólares EE.UU. por tonelada. Sin embargo, esto no es neutro en carbono, ya que el carbono es de origen fósil y, por lo tanto, mueve el carbono de la geosfera a la atmósfera. Dado que el ácido carbónico del agua de mar está en equilibrio químico con el dióxido de carbono atmosférico, se ha estudiado la extracción de carbono del agua de mar. Los investigadores han estimado que la extracción de carbono del agua de mar costaría alrededor de $ 50 por tonelada. La captura de carbono del aire ambiente es más costosa, entre $ 94 y $ 232 por tonelada y se considera poco práctica para la síntesis de combustible o el secuestro de carbono.La captura directa de aire está menos desarrollada que otros métodos. Las propuestas para este método involucran el uso de un químico cáustico para reaccionar con el dióxido de carbono en el aire para producir carbonatos. Luego, estos pueden descomponerse e hidratarse para liberar gas CO2 puro _y regenerar el químico cáustico. Este proceso requiere más energía que otros métodos porque el dióxido de carbono se encuentra en concentraciones mucho más bajas en la atmósfera que en otras fuentes.

Los investigadores también han sugerido utilizar la biomasa como fuente de carbono para la producción de combustible. Agregar hidrógeno a la biomasa reduciría su carbono para producir combustible. Este método tiene la ventaja de utilizar materia vegetal para capturar dióxido de carbono de forma económica. Las plantas también agregan algo de energía química al combustible a partir de moléculas biológicas. Este puede ser un uso más eficiente de la biomasa que el biocombustible convencional porque utiliza la mayor parte del carbono y la energía química de la biomasa en lugar de liberar tanta energía y carbono. Su principal desventaja es que, al igual que con la producción de etanol convencional, compite con la producción de alimentos.

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Costos de las energías renovables y nuclear

La energía eólica nocturna se considera la forma más económica de energía eléctrica con la que sintetizar combustible, porque la curva de carga de la electricidad alcanza un pico pronunciado durante las horas más calurosas del día, pero el viento tiende a soplar un poco más durante la noche que durante el día. Por lo tanto, el precio de la energía eólica nocturna suele ser mucho más económico que cualquier alternativa. Los precios de la energía eólica fuera de las horas pico en las áreas de alta penetración eólica de EE. UU. promediaron 1,64 centavos por kilovatio-hora en 2009, pero solo 0,71 centavos/kWh durante las seis horas menos costosas del día. Por lo general, la electricidad al por mayor cuesta de 2 a 5 centavos/kWh durante el día. Las compañías comerciales de síntesis de combustible sugieren que pueden producir gasolina por menos que los combustibles derivados del petróleo cuando el petróleo cuesta más de $55 por barril.

En 2010, un equipo de químicos de procesos dirigido por Heather Willauer de la Marina de los EE. UU. estimó que 100 megavatios de electricidad pueden producir 160 metros cúbicos (41 000 galones estadounidenses) de combustible para aviones por día y que la producción a bordo de energía nuclear costaría alrededor de $ 1600 por metro cúbico metro ($6/gal EE.UU.). Si bien eso fue aproximadamente el doble del costo del combustible de petróleo en 2010, se espera que sea mucho menor que el precio de mercado en menos de cinco años si continúan las tendencias recientes. Además, dado que la entrega de combustible a un grupo de batalla de portaaviones cuesta alrededor de $ 2100 por metro cúbico ($ 8 / US gal), la producción a bordo ya es mucho menos costosa.

Willauer dijo que el agua de mar es la "mejor opción" como fuente de combustible sintético para aviones. Para abril de 2014, el equipo de Willauer aún no había producido el combustible al nivel requerido por los aviones militares, pero en septiembre de 2013 pudieron usar el combustible para volar un modelo de avión controlado por radio propulsado por un motor común de combustión interna de dos tiempos. Debido a que el proceso requiere una gran cantidad de energía eléctrica, un primer paso plausible de implementación sería que los portaaviones estadounidenses de propulsión nuclear (la clase Nimitz y la clase Gerald R. Ford) fabricaran su propio combustible para aviones. Se espera que la Marina de los EE. UU. implemente la tecnología en algún momento de la década de 2020.

Proyectos demostrativos y desarrollo comercial

Una 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 operar en 2010. Se está actualizando a 10 megavatios, y está previsto que esté terminada en otoño de 2012.

La planta de reciclaje de dióxido de carbono George Olah operada por Carbon Recycling International en Grindavík, Islandia, ha estado produciendo 2 millones de litros de combustible de transporte de metanol por año a partir de los gases de escape de la central eléctrica de Svartsengi desde 2011. Tiene la capacidad de producir 5 millones de litros por año. año.

Audi ha construido una planta de gas natural licuado (GNL) neutra en carbono en Werlte, Alemania. La planta está destinada a producir combustible de transporte para compensar el GNL utilizado en sus automóviles A3 Sportback g-tron, y puede mantener 2.800 toneladas métricas de CO ₂ fuera del medio ambiente por año a su capacidad inicial.

Tesla ha implementado un vehículo de cero emisiones en el que canaliza la energía solar en paquetes de baterías. Los paquetes de baterías de Tesla se utilizan luego para cargar sus vehículos. En 2020, Tesla reutilizó alrededor del 92 % de los metales en bruto para fabricar sus paquetes de baterías.

Se están produciendo desarrollos comerciales en Columbia, Carolina del Sur, Camarillo, California y Darlington, Inglaterra. Un proyecto de demostración en Berkeley, California, propone sintetizar tanto combustibles como aceites alimentarios a partir de gases de combustión recuperados.

Remediación de gases de efecto invernadero

Los combustibles neutros en carbono pueden conducir a la remediación de gases de efecto invernadero porque el gas de dióxido de carbono se reutilizaría para producir combustible en lugar de liberarse a la atmósfera. Capturar el dióxido de carbono en las emisiones de gases de combustión de las centrales eléctricas eliminaría sus emisiones de gases de efecto invernadero, aunque quemar el combustible en los vehículos liberaría ese carbono porque no existe una forma económica de capturar esas emisiones. Este enfoque reduciría las emisiones netas de dióxido de carbono en aproximadamente un 50 % si se utilizara en todas las centrales eléctricas de combustibles fósiles. Se ha pronosticado que la mayoría de las centrales eléctricas de carbón y gas natural serán económicamente adaptables con depuradores de dióxido de carbono para la captura de carbono para reciclar los gases de escape o para el secuestro de carbono.Se espera que dicho reciclaje no solo cueste menos que los impactos económicos excesivos del cambio climático si no se hiciera, sino que también se pague por sí mismo a medida que el crecimiento de la demanda mundial de combustible y la escasez máxima de petróleo aumenten el precio del petróleo y el gas natural fungible.

La captura de CO ₂ directamente del aire, conocida como captura directa de aire, o la extracción de ácido carbónico del agua de mar también reduciría la cantidad de dióxido de carbono en el medio ambiente y crearía un ciclo cerrado de carbono para eliminar nuevas emisiones de dióxido de carbono. El uso de estos métodos eliminaría por completo la necesidad de combustibles fósiles, suponiendo que se pudiera generar suficiente energía renovable para producir el combustible. El uso de hidrocarburos sintéticos para producir materiales sintéticos como los plásticos podría resultar en el secuestro permanente de carbono de la atmósfera.

Tecnologías

Combustibles tradicionales, metanol o etanol

Algunas autoridades han recomendado producir metanol en lugar de los combustibles tradicionales para el transporte. Es un líquido a temperaturas normales y puede ser 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 celdas de combustible de metanol directo han sido desarrolladas por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de Caltech para convertir el metanol y el oxígeno en electricidad. Es posible convertir el metanol en gasolina, combustible para aviones u otros hidrocarburos, pero eso requiere energía adicional e instalaciones de producción más complejas. El metanol es un poco más corrosivo que los combustibles tradicionales y requiere modificaciones en los automóviles del orden de US$100 cada uno para usarlo.

En 2016, se desarrolló un método que utiliza picos de carbono, nanopartículas de cobre y nitrógeno que convierte el dióxido de carbono en etanol.

Microalgas

El combustible elaborado a partir de microalgas podría tener una huella de carbono baja y es un área activa de investigación, aunque hasta la fecha no se ha comercializado ningún sistema de producción a gran escala. Las microalgas son organismos unicelulares acuáticos. Aunque, a diferencia de la mayoría de las plantas, tienen estructuras celulares extremadamente simples, aún 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. Por lo tanto, aunque la combustión de combustible a base de microalgas para obtener energía aún produciría emisiones como cualquier otro combustible, podría ser casi neutro en carbono si, en su conjunto, consumieran tanto dióxido de carbono como el 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 y su capacidad para prosperar en una amplia variedad de hábitats acuáticos. Su principal desventaja es su alto costo. Se ha argumentado que sus composiciones químicas únicas y altamente variables pueden hacerlo atractivo para aplicaciones específicas.

Las microalgas también se pueden utilizar como alimento para el ganado debido a sus proteínas. Más aún, algunas especies de microalgas producen compuestos valiosos como pigmentos y productos farmacéuticos.

Producción

Dos formas principales de cultivar microalgas son los sistemas de estanques raceway y los fotobiorreactores. Los sistemas de estanques Raceway están construidos por un canal ovalado de circuito cerrado que tiene una rueda de paletas para hacer circular el agua y evitar la sedimentación. El canal está abierto al aire y su profundidad está en el rango de 0,25 a 0,4 m (0,82 a 1,31 pies). El estanque debe mantenerse poco profundo, ya que el autosombreado y la absorción óptica pueden limitar la penetración de la luz a través de la solución de caldo de algas. El medio de cultivo de PBR se construye mediante una serie de tubos transparentes y cerrados. Posee un depósito central por donde circula el caldo de microalgas. Los PBR son un sistema más fácil de controlar en comparación con el sistema de estanques raceway, pero tienen un mayor costo total de producción.

Las emisiones de carbono de la biomasa de microalgas producidas en los estanques raceway podrían compararse con las emisiones del biodiésel convencional al tener insumos de energía y nutrientes como intensivos en carbono. Las emisiones correspondientes de la biomasa de microalgas producidas en los PBR también podrían compararse e incluso podrían superar las emisiones del diésel fósil convencional. La ineficiencia se debe a la cantidad de electricidad utilizada para bombear el caldo de algas alrededor del sistema. El uso de coproductos para generar electricidad es una estrategia que podría mejorar el balance general de carbono. Otra cosa que debe reconocerse es que los impactos ambientales también pueden provenir de la gestión del agua, el manejo del dióxido de carbono y el suministro de nutrientes, varios aspectos que podrían limitar el diseño del sistema y las opciones de implementación. Pero en general,

Economía

El costo de producción del biocombustible de microalgas a través de la implementación de sistemas de estanques raceway está dominado por el costo operativo que incluye mano de obra, materias primas y servicios públicos. En el sistema de estanques raceway, durante el proceso de cultivo, la electricidad consume la fracción de energía más grande de los requisitos energéticos operativos totales. Se utiliza para hacer circular los cultivos de microalgas. Ocupa una fracción de energía que va del 22% al 79%. Por el contrario, el costo de capital domina el costo de producción de biocombustibles de microalgas en PBR. Este sistema tiene un alto costo de instalación, aunque el costo operativo es relativamente más bajo que los sistemas de estanques de canalización.

La producción de microalgas y biocombustibles cuesta una mayor cantidad de dinero en comparación con la producción de combustibles fósiles. El costo estimado de producir biocombustible de microalgas es de alrededor de $ 3,1 por litro ($ 11,57 / US gal), que es considerablemente más caro que la gasolina convencional.

Impacto medioambiental

La construcción de instalaciones de cultivo de microalgas a gran escala produciría inevitablemente impactos ambientales negativos relacionados con el cambio de uso de la tierra, como la destrucción de los hábitats naturales existentes. Las microalgas también pueden, bajo ciertas condiciones, emitir gases de efecto invernadero, como el metano o el óxido nitroso, o gases malolientes, como el sulfuro de hidrógeno, aunque esto no ha sido ampliamente estudiado hasta la fecha. Si no se manejan adecuadamente, las toxinas producidas naturalmente por las microalgas pueden filtrarse al suelo circundante o al agua subterránea.

Producción

El agua se somete a electrólisis a altas temperaturas para formar hidrógeno gaseoso y oxígeno gaseoso. La energía para realizar esto se extrae de fuentes renovables como la energía eólica. Luego, el hidrógeno se hace reaccionar con dióxido de carbono comprimido capturado por captura directa de aire. La reacción produce crudo azul que consiste en hidrocarburo. El crudo azul luego se refina para producir E-diesel de alta eficiencia. Sin embargo, este método aún es discutible porque con la capacidad de producción actual solo puede producir 3.000 litros en unos pocos meses, el 0,0002% de la producción diaria de combustible en los EE. UU.Además, se ha cuestionado la viabilidad termodinámica y económica de esta tecnología. Un artículo sugiere que esta tecnología no crea una alternativa al combustible fósil, sino que convierte la energía renovable en combustible líquido. El artículo también establece que el retorno energético de la energía invertida con diesel fósil es 18 veces mayor que el del e-diesel.

Historia

La investigación de combustibles neutros en carbono ha estado en curso durante décadas. Un informe de 1965 sugirió sintetizar metanol a partir de dióxido de carbono en el aire usando energía nuclear para un depósito móvil de combustible. La producción a bordo de combustible sintético utilizando energía nuclear se estudió en 1977 y 1995. Un informe de 1984 estudió la recuperación de dióxido de carbono de las plantas de combustibles fósiles. Un informe de 1995 comparó la conversión de flotas de vehículos para el uso de metanol neutro en carbono con la síntesis adicional de gasolina.