Centros del CSIC trabajan en tecnologías que atrapan el dióxido de carbono en la industria del acero, convirtiendo en hidrógeno parte de sus gases combustibles, y obteniendo CO2 puro para usarlo o alojarlo en el subsuelo
Redacción
Un equipo de investigadores del CSIC en el Instituto de Ciencia y Tecnología del Carbono (INCAR) trabaja en un ambicioso proyecto europeo que tiene como objetivo reducir las emisiones de efecto invernadero de uno de los sectores industriales más contaminantes, el del hierro y el acero. “Intentamos descarbonizar lo no descarbonizable”, resume, con un juego de palabras, el investigador Carlos Abanades, del INCAR, que dirige la participación del CSIC en el proyecto C4U, financiado con 13,8 millones de euros por el programa Horizonte 2020 de la UE y coordinado por el University College de Londres.
La producción de acero, y en general el procesado de metales, es una de esas industrias difícilmente descarbonizables. Se los conoce como sectores industriales “adictos al carbono”. Se trata, fundamentalmente, de las industrias que fabrican cemento, caliza o cerámica, la producción de metales (acero, hierro) y el sector químico que produce productos con contenido de carbono. Son sectores que necesitan emitir CO2 para existir, o que necesitan carbono para obtener sus productos químicos, que luego se descomponen y generan CO2, como los fertilizantes o los polímeros. Las emisiones asociadas a procesos industriales representan el 20% de las emisiones actuales.
También las futuras redes eléctricas alimentadas con energías renovables necesitarán servicios de apoyo, almacenaje y transporte que probablemente tendrán que recurrir a las ventajas que ofrecen los combustibles fósiles, como su alta densidad energética y su bajo coste de almacenaje y transporte.
Descarbonizar estos sectores industriales es crucial si se quieren alcanzar los objetivos del Acuerdo de París de 2015 (limitar el calentamiento global a menos de 1,5ºC a finales del siglo XXI, para lo que se requieren cero emisiones de CO2 o incluso extracción neta de carbono de la atmósfera hacia 2050), puesto que un modelo energético basado al 100% en energías renovables no parece factible, según recuerda el consenso de los científicos.
Para paliar estas emisiones de la industria denominadas “difícilmente evitables”, los investigadores trabajan en las tecnologías de captura y almacenamiento del carbono (carbon capture and storage) y captura y utilización del carbono (carbon capture and utilization). “Básicamente consiste en capturar el CO2 de la fuente del gas de combustión en los procesos industriales, o bien de la atmósfera, para purificarlo”, explica Abanades. “Y luego o bien se almacena permanentemente bajo tierra, para evitar su emisión a la atmósfera, o se reutiliza en diferentes procesos químicos, principalmente la producción de combustible”, añade. Pueden desempeñar un papel importante a la hora de facilitar la transición a formas renovables de energía a la vez que fabrican productos útiles como combustibles o productos químicos.
El proyecto C4U, en el que trabaja el equipo de Abanades, combina estas dos tecnologías. “Se trata de transformar un gas combustible empleado en la producción de acero, con un alto contenido en monóxido de carbono y dióxido de carbono, en un gas rico en hidrógeno, libre de carbonato”, detalla Abanades. De esta forma, el gas de efecto invernadero generado en la producción del acero se purifica y se puede reutilizar, como hidrógeno, en el almacenamiento de energía o en la generación de combustible renovable.
Este tratamiento del CO2 se hace de forma cíclica en tres etapas, según enumera Abanades. En una primera etapa se alimenta el gas objetivo (que contiene CO y CO2), junto con vapor de agua, a un reactor que contiene sólidos con óxido de calcio y cobre. De ahí sale un gas rico en H2 (dihidrógeno, o hidrógeno molecular) porque el CO2 (el que había en el gas original y el formado al reaccionar el monóxido de carbono con el vapor de agua) ha sido capturado como carbonato de calcio sólido. En una segunda etapa se oxida el cobre a óxido de cobre con aire a alta presión para evitar la descomposición del carbonato de calcio.
En la última etapa de cada ciclo, se alimenta un gas combustible al lecho para descomponer carbonato de calcio en CO2 puro y óxido de calcio con el calor que se desprende al reducir el óxido de cobre a cobre con el gas combustible. De esta última etapa solo sale idealmente CO2 y vapor de agua, con lo que es fácil ya obtener una corriente pura de CO2 para uso o almacenamiento permanente. El gas rico en H2 puede tener muchos usos, sin emitir ya CO2 en ellos. El proyecto C4U trabaja con el objetivo de aplicar esta tecnología en un clúster o agrupación de industrias del metal (acero) situado en el Puerto del Mar del Norte, en Amberes (Bélgica).
Las tecnologías de captura y utilización de carbono pueden desempeñar un papel importante a la hora de facilitar la transición a formas renovables de energía a la vez que fabrican productos útiles como combustibles o productos químicos.
Electricidad para producir combustible de aviones
El dióxido de carbono emitido por la industria puede reconvertirse, mediante las tecnologías de captura y utilización del carbono, en combustible para transportes muy contaminantes, como el aéreo. Este es el objetivo del gran proyecto europeo eCOCO2, dotado con 4,4 millones de euros por el programa Horizonte 2020 y coordinado por investigadores del CSIC en el Instituto de Tecnología Química (CSIC-UPV). “Estas tecnologías que usan fuentes de energía de baja emisión de carbono mantienen baja la huella de carbono global. Las actuales, que usan electricidad renovable para producir combustibles, son relativamente caras e ineficientes”, explica José Manuel Serra, investigador del CSIC que coordina el proyecto, que se enmarca en la hoja de ruta de la UE para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.
“El proyecto eCOCO2 desarrollará un proceso intensificado para producir directamente carburorreactores sintéticos a partir de CO2 mediante electricidad renovable y vapor de agua”, detalla. “Existe una gran cantidad de beneficios para la industria aeroespacial, la posición de liderazgo de la Unión Europea en el cambio climático y el medio ambiente”.
La principal novedad del proyecto reside en el proceso de transformación del CO2, que es altamente eficiente, compacto, flexible y de bajo coste. Hoy, la transformación del CO2 se lleva a cabo en diferentes etapas, y en cada una de ellas se pierde eficiencia, lo que incide también en el impacto medioambiental. eCOCO2 permitirá reducir todas estas fases a solo una. “Las tecnologías integradas que vamos a emplear en el proyecto permitirán realizar in situ la electrólisis de agua y la producción de hidrocarburos en un proceso de un solo paso de eficiencia sin precedentes”, apunta Serra.
La transformación se llevará a cabo en una celda electroquímica, que combinará membranas iónicas selectivas junto con catalizadores avanzados, incluyendo zeolitas, unas tecnologías que permitirán generar de manera selectiva las moléculas (de hidrocarburo) requeridas en el combustible de aviación. En concreto, utilizará membranas cerámicas, que permiten purificar el gas CO2 de forma muy eficiente. En el proceso de separación del CO2, las membranas ofrecen diversas ventajas: son compactas, simplifican las operaciones, consumen poca energía y tienen buenas propiedades térmicas y mecánicas.
Almacenar CO2 en el subsuelo
La captura de emisiones de CO2 también se puede realizar con el objetivo de almacenarlas en el subsuelo. En esta área trabaja el equipo del investigador Víctor Vilarrasa, del Instituto de Diagnóstico Ambiental y Estudios del Agua (IDAEA). “En este caso hay que capturar el CO2 antes de que sea emitido a la atmósfera, para lo que existen diferentes técnicas, y posteriormente inyectarlo en formaciones geológicas profundas para su almacenamiento permanente”, explica Vilarrasa. “Con esto, no estaríamos más que devolviendo el carbono a su lugar de origen, ya que el carbono que hemos emitido y seguimos emitiendo a la atmósfera proviene de la quema de combustibles fósiles, que hemos extraído y extraemos del subsuelo”, añade.
Este proceso, sin embargo, conlleva la posibilidad de que se produzcan fugas, ya que tal y como se realiza en la actualidad, en rocas porosas y permeables situadas entre 1 y 3 km de profundidad, el CO2 es menos denso que el agua y, por tanto, flota. Para impedir que el CO2 vuelva a la atmósfera, las formaciones almacén deben estar ubicadas debajo de una roca muy poco permeable, como las pizarras o los esquistos. Aun así, existe riesgo de fuga a través de pozos mal sellados o de fracturas y fallas permeables. Este es uno los principales obstáculos que plantea la estrategia de almacenamiento de CO2.
El equipo de Vilarrasa ha realizado un estudio, publicado en Geophysical Research Letters, en el que presenta un método innovador de almacenamiento de CO2. Demuestra mediante simulaciones computacionales que el CO2 podría ser almacenado de forma segura, reduciendo significativamente el riesgo de fugas, si se inyecta en pozos donde el agua se encuentra en estado supercrítico, lo que ocurre a temperaturas y presiones superiores a 374 °C y 218 atmósferas, respectivamente. “En este estado, la densidad del CO2 es mayor que la del agua, y, por lo tanto, se hunde”, señala Vilarrasa.
Estas condiciones se encuentran a unos 3-5 km de profundidad en zonas volcánicas, y por debajo de los 13 km en el resto del planeta. Perforar a 13 km no es técnicamente posible, por lo que las zonas volcánicas se presentan como una opción más factible. “Descubrimos que cada pozo podría almacenar las emisiones equivalentes a las emitidas entre 75.000 y 1,1 millones de personas”, indica el investigador.
Países como España (en las Islas Canarias), Italia o Turquía, cuyos territorios tienen zonas volcánicas, presentan un gran potencial para desarrollar esta tecnología. En Islandia en 2016 encontraron estas condiciones en zonas volcánicas a unos 4,5 km de profundidad, por lo que la propuesta parece viable. “No obstante, quedan muchos interrogantes por resolver, como el desarrollo de técnicas para detectar las zonas con condiciones supercríticas, la evaluación de riesgos inherentes a zonas volcánicas, la mejora de las técnicas de perforación y la adaptación de los aparatos de medida a tan alta temperatura”, puntualiza.
Este trabajo forma parte del proyecto GEoREST, financiado por el Consejo Europeo de Investigación (ERC, por sus siglas en inglés) en el programa H2020 de la UE, y cuyo objetivo es desarrollar una metodología para predecir y mitigar los terremotos inducidos por la inyección de fluidos en el subsuelo para el desarrollo de geoenergías que contribuyan a mitigar el cambio climático, como el almacenamiento geológico de carbono, la energía geotérmica y el almacenamiento subterráneo de hidrógeno. En el marco de este proyecto, el equipo de Vilarrasa ha mostrado que el almacenamiento geológico de carbono tiene un potencial de inducir terremotos bajo, ya que el CO2, al ser un gas, tiene una viscosidad muy baja, lo que le permite fluir con mucha facilidad, evitando que se generen grandes sobrepresiones que podrían desestabilizar fallas. Además, la inyección de CO2 se realiza en rocas sedimentarias, que son relativamente blandas y deformables, por lo que, si rompen, no lo hacen de forma brusca liberando gran cantidad de energía, que es lo que daría lugar a un terremoto.
“La investigación científica en geoenergías pretende minimizar esos riesgos para poder contar con el subsuelo en la descarbonización. Los recursos geológicos, como origen del problema, deben formar parte también de la solución”, concluye Vilarrasa.
