132) El CO₂, mártir en la descarbonización de la economía

Son años los que llevamos escuchando que hay que eliminar el dióxido de carbono (CO₂) de nuestras vidas, de nuestras empresas, de nuestras sociedades. El malo de la película, el principal artífice del cambio climático por culpa de las más de 37 mil millones de toneladas que a nivel global generamos los seres humanos y que vertimos a la atmósfera.

Ser neutros en carbono en 2050. Ese es el objetivo si queremos limitar la subida de las temperaturas a 1.5 ºC por encima de los niveles preindustriales y así evitar las terribles consecuencias del Cambio Climático, como describió en 2018 el IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change). Ser neutros en carbono… espera.

¿Por qué no se ha establecido como objetivo el “no emitir CO₂”?

Mucho más fácil y sencillo, ¿no?

Pero en ese caso…

-¿Qué íbamos a hacer con esos sectores como el marítimo o el de la aviación, que necesitan de combustibles sostenibles entre los que se encuentran los producidos a base de CO₂ e hidrógeno?

-¿y qué sucedería con la industria química, que tendrá que prescindir de los combustibles fósiles, recurriendo por tanto a compuestos primarios sintéticos como el metanol producidos, entre otros, a partir de CO₂ e H₂?

-¿iríamos a dejar de consumir cementos o minerales que liberan el carbono que tienen en sus componentes mientras se procesan para su uso industrial?

Bueno… pues parece que, para descarbonizarnos o, mejor dicho, para ser neutros en carbono, vamos a necesitar del CO₂… y en grandes cantidades.

Por suerte, este proceso industrial no es algo nuevo. La captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS), que hace referencia a un conjunto de tecnologías que implican la captura, el almacenamiento y la fijación de CO₂ se lleva utilizando desde hace mucho tiempo. Esta captura, se realiza no sólo de diversos focos emisores, como la generación de energía o las instalaciones industriales que utilizan combustibles fósiles o biomasa como combustible, sino también del CO₂ que se encuentra en la atmósfera, aunque en este último caso, la concentración de la molécula baja enormemente, lo que encarece los costes, relegando la tecnología DAC (Direct Air Capture) a proyectos piloto.

Las esperanzas puestas en estas tecnologías son enormes, y es que se espera que hasta el 10 % de la reducción de emisiones desde 2021 hasta 2050 venga dado por la aplicación de las tecnologías de CCUS. Una vez capturado, el CO₂ sirve para un sinfín de utilidades, como se puede ver en la siguiente infografía (Mertens, 2023).

Ilustración 1.- Cadena de valor del dióxido de carbono. (Fuente: Adaptado de: (Mertens, 2023)).

Actualmente, existen aproximadamente 45 instalaciones comerciales que aplican el CCUS a procesos industriales, transformación de combustibles y generación de energía, con una capacidad total anual de captura de casi 50 Mt de CO₂ (International Energy Agency, 2023).Además, existen alrededor de 700 proyectos en diversas fases de desarrollo en toda la cadena de valor del CCUS (International Energy Agency, 2023), esperando capturar más de 435 Mt de CO₂ al año. No obstante, incluso a ese nivel, el despliegue de CCUS seguiría siendo sustancialmente inferior al requerido (International Energy Agency, 2023).

Ilustración 2 .-Descenso en las emisiones esperado en las próximas décadas y tecnología responsable (Fuente: International Energy Agency, 2023).

La mayoría de focos de emisión de dióxido de carbono industriales son fuentes que generan grandes flujos de gases de escape en los cuales la concentración del CO₂ es baja debido a la presencia principalmente de nitrógeno procedente del aire necesario para que se produzca la combustión (Tabla 1).

Tabla 1.- Características típicas de CO₂ en los gases de escape de diferentes unidades/procesos (Fuente: Wang, 2020).

Debido a que tanto la demanda energética (OPEX) como las dimensiones, y por tanto las inversiones (CAPEX), de los equipos de captura de CO₂ incrementan con la disminución de la concentración de CO₂, interesa realizar la captura en corrientes lo más concentradas posible a fin de simplificar el proceso y reducir los costes.

La siguiente imagen, de la IEA, relaciona la concentración de las diversas fuentes para la captura de CO₂ con el coste de captura en las mismas.

Ilustración 3.- Valores estimados del coste de captura de CO₂ para diferentes concentraciones del dióxido de carbono en el gas de escape. (Fuente: Adaptado de (IEA, 2022)).

Separación y captura de CO₂

En la actualidad, se siguen varias vías tecnológicas para la separación y captura de CO₂. Estas tecnologías difieren unas de otras en función de la ubicación de la etapa de captura de carbono, ya que puede realizarse antes o después del proceso de combustión, y atendiendo al oxidante empleado. De esta forma, los principales tipos de captura de carbono son:

• Postcombustión: implica la separación del CO₂ de los gases tras el proceso de combustión. Estos gases presentan una presión parcial del CO₂ baja (0,03-0,2 bar) y/o una concentración de CO₂ baja (3-20% vol) (Wang, 2020). Algunas de las principales tecnologías consideradas dentro de esta categoría son:

- Captura mediante absorción química: Este proceso consiste en la vinculación química del CO₂ con un determinado compuesto químico para su posterior desorción en un proceso opuesto, de modo que, de la corriente de gases que entre a la planta, solo el CO₂ quede vinculado al compuesto químico (disolvente) para así después en el proceso de liberación sea el único gas generado. La eliminación del CO₂ en corrientes de gases industriales mediante disolventes, utilizada desde los años 1930 en la industria del gas natural. Aquí nos podemos encontrar tecnologías como las aminas o los carbonatos, siendo las primeras las más utilizadas.

Estos procesos absorben CO₂ a bajas temperaturas y lo liberan a altas temperaturas, logrando una captura del 80-95% con una pureza del 99.95%. El sistema de captura incluye torres de absorción y desorción, que requieren un aporte significativo de energía térmica para la regeneración del disolvente.

Ilustración 4.- Diagrama de proceso de un sistema de captura de aminas. (Fuente: Adaptado de (Global CCS Institute, 2021).

• Captura mediante adsorción química (TSA) y física (PSA y VSA): Son procesos en los cuales se aprovechan fuerzas físicas y químicas para capturar a la molécula de CO₂ de una corriente de gases para posteriormente anular los efectos de esa fuerza y así poder liberar la molécula en condiciones de pureza elevadas. Estas tecnologías se aplican en gases con elevada concentración (Global CCS Institute, 2021). El proceso de adsorción mediante unidades PSA (Pressure Swing Adsorption) es hoy en día el más utilizado para separar el CO₂ del hidrógeno en los reformadores de metano con vapor.

Ilustración 5.- Unidades PSA de Linde para la captura de H₂ y CO₂ en Alemania (Fuente: Linde, 2023).

• Membranas: Especialmente utilizadas en las plantas con concentraciones altas, las membranas son una barrera o un medio que puede separar diferentes compuestos en una mezcla gaseosa basándose en su diferente capacidad para permear. Este tipo de separación emplea la presión parcial como la fuerza impulsora del proceso y está favorecida si se alimenta la mezcla de gases a elevada presión (Global CCS Institute, 2021).

  

  Ilustración 6.- Esquema de una membrana empleada para captura de gases. (Fuente: Adaptado de (SLB, 2023)).

• Criogenia: La captura criogénica de dióxido de carbono consiste en la separación física aprovechando diferencias en los puntos de ebullición y en las propiedades de desublimación de los componentes de la mezcla gaseosa. Además, normalmente está acoplada con un proceso de preconcentración de la alimentación basado en PSA (Font-Palma, 2021). Este método da como producto un CO₂ con alto grado de pureza (industrial o alimentario).

  

  Ilustración 7.- Esquema del proceso Cryocap de Air Liquide (Fuente: AirLiquide, 2023)

• Lazos químicos:  Son tecnologías de captura emergente similar a la oxicombustión, pues producen una corriente de CO₂ concentrada, lo que hace que no se necesite la separación del dióxido de carbono del combustible (como ocurre con la precombustión) o del gas de escape (como ocurre en la postcombustión) (Wang, 2020).

• Precombustión: ¿Capturar CO₂ sin haber producido todavía el CO₂? En efecto, si lo que buscamos es capturar o valorizar el CO₂, por qué no diseñar los procesos desde el principio para facilitar su captura y maximizar todos los productos. En las tecnologías de precombustión, se captura el CO₂ antes del proceso de combustión y está orientado a procesos en los cuales se produce syngas (gas de síntesis) a partir de gasificación de combustibles (carbón, gas, biomasa) o reformado de gas natural. De esta forma, el gas de síntesis (CO + H₂ + CO₂) se somete a una etapa de desplazamiento con vapor de agua (WGS), convirtiendo el monóxido de carbono a más hidrógeno y CO₂. Esto aumenta la concentración del dióxido de carbono en la corriente de gases, lo que permite separarlo de forma sencilla del hidrógeno (Wang, 2020).

• Oxicombustión: Personalmente no entiendo por qué esta tipología no se engloba dentro de la postcombustión. A ver qué opináis vosotros.

  El principal problema de la captura postcombustión es que aproximadamente el 80-90 % de los gases de salida son nitrógeno, ya que entra con el oxígeno en la mezcla de aire. No obstante, este gas (nitrógeno) es totalmente inerte y no aporta nada al sistema de combustión. Eso sí, nos dificulta mucho la captura a posteriori. Para solucionar este problema está la oxicombustión.

  Este sistema de captura está enfocado a la separación del CO₂ de corrientes de gases de escape resultantes de un proceso de combustión con oxígeno puro en lugar de aire.

  Esta alternativa ofrece grandes ventajas, pues al introducir oxígeno en lugar de aire se reduce el volumen de gases de escape a tratar, lo que deriva en un aumento de la concentración del CO₂ y reduce tanto los costes de captura como las dimensiones de los sistemas de tratamiento de gas de escape, ya que permite emplear unidades de menor tamaño aguas abajo del proceso de combustión (Wang, 2020).

  La oxicombustión está ganando gran interés últimamente sobre todo por la posibilidad de poder utilizar el oxígeno utilizado en la electrólisis, aunque los caldereros y fabricantes de hornos industriales todavía no se sienten del todo cómodos con combustión al 100 % oxígeno, por lo que muy pocos están ofreciendo esta posibilidad por el momento. ¡Hora de que sus equipos de ingeniería se pongan a trabajar!

Todas estas tecnologías, suponen costes elevados de inversión, pero nada desdeñables son los costes operativos de plantas que necesitan de consumos eléctricos, pero también en algunos casos (absorción química) de grandes consumos térmicos, lo que eleva los costes a la larga.

Ilustración 8.- Tecnologías de post, oxi y precombustión respectivamente (Fuente: Vatenfall)

Hasta aquí la teoría. Ahora, cabe preguntarnos… Bueno, ¿y yo por qué tecnología me decanto para mis plantas?

Bien, por suerte, no hay una respuesta definitiva en este caso, o los ingenieros nos quedaríamos sin trabajo. Haciendo honor a mi procedencia gallega, diré que la selección de la tecnología “depende”, y la verdad es que sí depende, y mucho, pero, ¿de qué? Vamos a ver algunos de los factores que pueden influenciar la elección:

1. Madurez de las tecnologías: Si bien es cierto que tanto la oxicombustión como la captura pre y postcombustión se han probado ya en diversas aplicaciones, la realidad es que a escala industrial la cosa difiere un poco y es que aquí son las tecnologías de postcombustión las que llevan la voz cantante, siendo especialmente las aminas y las unidades PSA las que más utilización han tenido hasta la fecha. Sin embargo, los industriales, conscientes de que el pasado no tiene por qué determinar el futuro, no se están cerrando a nada, y los proyectos con oxicombustión, gasificación de la biomasa o incluso criogenia están cogiendo también mucha tracción.

2. Instalaciones existentes: Cuando llegamos a una instalación ya existente (papelera, cementera, petroquímica, planta de biomasa o similares), nos encontramos con que una cosa es la teoría o la solución óptima y otra cosa es la solución realista. ¿Qué quiero decir con esto? Pues que nos podremos ver limitados por el espacio disponible, por las alturas máximas permitidas, por los procesos y equipos en los cuales se genera el CO₂, que en muchas ocasiones necesitarían de grandes modificaciones para poder aplicar alguna de las tecnologías comentadas (especialmente el caso de la oxicombustión)...

   Otro elemento fundamental a analizar en cualquier industria a la que lleguemos, es el saber si dispone de calor residual (algo frecuente) o no, y qué calidad tiene este vapor, ya que muchos de los métodos postcombustión lo requieren para su funcionamiento.

   Poder aprovechar un calor que de otro modo fuese desperdiciado se reflejará en grandes ahorros a la larga.

   

   Ilustración 9.- Planta de captura de CO₂ en Soria (Fuente: Imagen propia)

3. Usuario final: ¿Qué vamos a hacer con el CO₂ capturado? ¿Vamos a utilizarlo en una instalación anexa? ¿Vamos a meterlo en un barco y enviarlo al mar del norte? ¿Vamos a transportarlo a una instalación de producción de combustibles sintéticos? ¿O llegaremos a tener una tubería de transporte de CO₂ en los próximos años como ya ocurre en otros países? Las preguntas son ilimitadas, así como la cantidad de circunstancias que pueden rodear a un proyecto. Pero la selección de una tecnología que permita capturar el CO₂ en las condiciones que necesitemos para su uso final, puede evitar muchos costes en el proceso de transporte y uso de esta molécula, incluso si la captura se vuelve un poco más cara o compleja. Esto es por ejemplo el caso de la captura criogénica, que en ciertos momentos puede competir con las aminas, dando a concentraciones bajas unos costes de captura más elevados. Sin embargo, si el uso final fuese por ejemplo el transporte internacional, nos estaría evitando costes aguas abajo referidos a la licuefacción del CO₂, por lo que el proyecto en su conjunto se vería favorecido. Este fenómeno se está viendo mucho en las cementeras, que producen CO₂ en un rango de concentraciones que coquetea mucho entre la captura con disolventes o la captura criogénica

En este mismo apartado voy a añadir otra cuestión fundamental. ¿Le importará la huella de carbono asociada al CO₂ capturado? ¿Va a tener esto un reflejo en el coste del CO₂ vendido a dicho consumidor? Bueno, pues la realidad es que sí, y mucho. Mientras que algunos sectores no están todavía siendo perseguidos por sus impactos en las emisiones, otros, como el nuestro, el de los RFNBOs (Renewable Fuels of Non-Biological Origin) debemos examinar con lupa el CO₂ que llega a nuestra planta de combustibles sintéticos, ¿y eso por qué? Pues muy fácil. Literalmente porque podrían dejar de ser renovables ¿cómo?, si se cumple alguna de estas dos condiciones:

• El CO₂ proviene de una fuente de origen no biogénico: Siendo válido hasta 2035 todo el CO₂ capturado, retirándose en ese año el generado en la producción eléctrica y hasta 2041 el generado a partir de combustibles fósiles o en emisiones intrínsecas a los procesos industriales como la fabricación del cemento.

• El combustible final generado (RFNBO) no alcanza una reducción de emisiones del 70 % con respecto a una referencia de 94 gCO₂/MJ:

  Bueno, pero aquí los proveedores de CO₂ deberían despreocuparse, ¿no?, al fin y al cabo, el CO₂ entregado es capturado de otro proceso y por tanto debería tener unas emisiones netas neutrales, ¿no es así?.

  ¡He aquí el quid de la cuestión!

  Para nada la huella del CO₂ es neutral, ¿acaso no tenemos que utilizar calor y electricidad para capturar el CO₂? ¿No utilizamos electricidad para comprimirlo o licuarlo? ¿No utilizamos gasolina o diésel para transportarlo a ciertas distancias? Y aquí la pregunta más importante ¿De dónde procede la energía que utilizamos para todos estos procesos?

Utilizar energía renovable o no, para todos estos procesos, es una elección más fácil de realizar en unos casos que en otros, véase en las tecnologías que utilicen electricidad únicamente en lugar de calor. Sin embargo, hay muchas plantas en las que se está planteando realizar la captura que disponen de calor residual e incluso generado a partir de biomasas, por lo que este obstáculo estaría salvado.

Un CO₂ con una huella de carbono baja, nula, o incluso negativa, puede ser tan diferencial como para que un proyecto de RFNBOs salga adelante o no.

Por ello, ser conscientes del comprador de dicha molécula es algo fundamental para la confección del proyecto.

¿Dispondrá el proyecto de financiación pública?:

Puede parecer una pregunta banal cuando estamos hablando de una tecnología u otra, pero para nada lo es. En proyectos tan costosos, en los que nos comprometemos por largos periodos de tiempo… ¡hay que estar muy listos! Y es que algo que vemos a menudo, es que la administración no suele distinguir en función de una tecnología u otra, independientemente de sus costes. Por el contrario, el OPEX de las tecnologías puede variar una barbaridad, siendo totalmente diferente los requerimientos de una planta de aminas a los de una de oxicombustión o una planta de captura criogénica. De este modo, saber si recibiremos ayuda o no, nos podrá orientar hacia una solución que pueda ser más costosa, pero represente menores dispendios a largo plazo… o no, siempre dentro de lo técnicamente viable, por supuesto.

Ilustración 10.- Unidades de tratamiento, adsorción y desorción en una planta de captura industrial. (Fuente: Imagen propia).

Conclusión:

La industria de CCUS no es algo para nada nuevo. Muchas de las tecnologías ya llevan tiempo siendo utilizadas en plantas de tamaños enormes y sin mayores complicaciones. Otras, sin embargo, se pueden adaptar mucho mejor a los nuevos escenarios energéticos e industriales y todavía tienen que probar su validez comercial a gran escala.

No obstante, y pese a ser un área menos atractiva que, por ejemplo, el hidrógeno y todo lo que lo rodea, es una tecnología que probablemente acabe teniendo un mayor efecto en la reducción de emisiones siendo además muy necesaria para que el H₂ y el resto de los RFNBOs alcancen su potencial.

Serán muchos los proyectos de CCUS que veremos en los próximos años, y se establecerán rutas de transporte, comercio y almacenamiento de la molécula. Por tanto, seguir conociéndola, así como imaginando qué nuevas necesidades aparecerán a medida que avance en su desarrollo, nos permitirá estar preparados para tomar buenas decisiones basadas en los cálculos y el buen criterio.

Bibliografía

AirLiquide. (2023). Cryocap Carbon Capture Technologies.

Font-Palma, C. C. (2021). Review of Cryogenic Carbon Capture Innovations and Their Potential Applications. Journal of Carbon Research.

Global CCS Institute. (2021). Technology Readiness and Costs of CCS.

IEA. (2022). Direct Air Capture: A key technology for net zero.

International Energy Agency. (2023). Carbon capture, utilisation and storage. Obtenido de https://www.iea.org/fuels-and-technologies/carbon-capture-utilisation-and-storage

Linde. (2023). PSA Pressure Swing Adsorption Plants.

Mertens, J. B.-M. (2023). Carbon capture and utilization: More than hiding CO2 for some time. Joule.

Raganati, F. M. (2021). Adsorption of Carbon Dioxide for Post-combustion Capture: A Review. Energy & Fuels, 12.845 - 12.868.

SLB. (2023). Apura Gas Separation Membrane. Obtenido de https://www.slb.com/well-production/processing-and-separation/gas-treatment/apura-gas-separation-membrane

Vattenfall. (2008). Carbon Capture and Storage- Technology, costs and way forward.

Wang, X. &. (2020). Carbon Capture From Flue Gas and the Atmosphere: A Perspective. Frontiers in Energy Research.

Este análisis lo ha realizado Brais Armiño Franco. Experto del sector del hidrógeno renovable y sus derivados, que ejerce de consultor en AtlantHy acelerando el desarrollo de los proyectos de hidrógeno renovable por medio del conocimiento del sector, las tecnologías y el mercado. AtlantHy participa en el desarrollo de plantas de hidrógeno, amoníaco y metanol, aportando capacidades técnicas, estratégicas y de desarrollo de negocio desde las fases iniciales hasta la negociación de los contratos con el EPCista. Hemos participado en más de 3.000 MW de estudios de viabilidad, ingenierías conceptuales y básicas y Due Diligences, y conseguido ayudas para el desarrollo de los proyectos con más de un 70 % de tasa de éxito. Paralelamente es uno de los fundadores del podcast del hidrogeno.