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El combustible neutro en carbono es un combustible que no produce emisiones netas de gases de efecto invernadero ni huella de carbono . En la práctica, esto generalmente significa combustibles que se fabrican utilizando dióxido de carbono (CO 2 ) como materia prima . Combustibles de carbono-neutral propuestas en términos generales se pueden agrupar en combustibles sintéticos , que están hechas por químicamente de hidrogenación de dióxido de carbono, y biocombustibles , que se producen utilizando CO natural de 2 procesos como -consuming 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 hidrógeno , amoníaco y metano , [1] aunque los hidrocarburos más complejos como la gasolina y el combustible para aviones [2] también se han sintetizado artificialmente con éxito. Además de ser neutros en carbono, estos combustibles renovablespuede 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. [3] Para ser verdaderamente neutra en carbono, cualquier energía requerida para el proceso debe ser en sí misma neutra en carbono o libre de emisiones, como la energía renovable o la energía nuclear . [4] [5] [6] [7]
Si la combustión de combustibles neutros en carbono está sujeta a la captura de carbono en la chimenea o el tubo de escape, dan como resultado una emisión neta de dióxido de carbono negativa y, por lo tanto, pueden constituir una forma de remediación de gases de efecto invernadero . Las emisiones negativas se consideran en general 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. [8] Es probable que los créditos de carbono desempeñen un papel importante para los combustibles negativos en carbono. [9]
Producción [ editar ]
Los combustibles neutros en carbono son hidrocarburos sintéticos. Pueden producirse en reacciones químicas entre el dióxido de carbono, que se puede capturar de las centrales eléctricas o del aire, y el hidrógeno, que se crea mediante la electrólisis del agua utilizando energía renovable. El combustible, a menudo denominado electrocombustible , almacena la energía que se utilizó en la producción del hidrógeno. [10]El carbón también se puede usar para producir hidrógeno, pero esa no sería una fuente neutra en carbono. El dióxido de carbono se puede capturar y enterrar, lo que hace que los combustibles fósiles sean neutros en carbono, aunque no renovables. La captura de carbono de los gases de escape puede hacer que los combustibles neutros en carbono sean negativos en carbono. Otros hidrocarburos se pueden descomponer para producir hidrógeno y dióxido de carbono que luego podrían almacenarse mientras el hidrógeno se usa para energía o combustible, que también sería neutral en carbono. [11]
El combustible más eficiente desde el punto de vista energético para producir es el gas hidrógeno , [12] que se puede utilizar en vehículos con pilas de combustible de hidrógeno, y cuya producción requiere la menor cantidad de pasos de proceso. El combustible de hidrógeno se prepara típicamente mediante la electrólisis del agua en un proceso de energía a gas . A través de la reacción de Sabatier, se puede producir metano que luego se puede almacenar para ser quemado más tarde en plantas de energía (como gas natural sintético ), transportado por tubería, camión o buque cisterna, o ser utilizado en procesos de gas a líquidos como el Proceso de Fischer-Tropschpara fabricar combustibles tradicionales para transporte o calefacción. [3] [13] [14]
Hay algunos combustibles más que se pueden crear utilizando hidrógeno. El ácido fórmico, por ejemplo, se puede preparar haciendo reaccionar el hidrógeno con CO2. El ácido fórmico combinado con CO2 puede formar isobutanol . [15]
El metanol se puede producir 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. Las precauciones especiales contra las fugas de metano son importantes, ya que el metano es casi 100 veces más potente que el CO 2 , en términos de potencial de calentamiento global . Se puede usar más energía para combinar metanol o metano en moléculas de combustible de hidrocarburos más grandes. [3]
Los investigadores también han sugerido el uso de metanol para producir éter dimetílico . Este combustible podría utilizarse como sustituto del combustible diesel 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. [16] Los hidrocarburos más grandes [12] y el etanol [17] también se pueden producir a partir de dióxido de carbono e hidrógeno.
Todos los hidrocarburos sintéticos se producen generalmente a temperaturas de 200–300 ° C y presiones de 20 a 50 bar. Los catalizadores se usan generalmente para mejorar la eficiencia de la reacción y crear el tipo deseado de combustible de hidrocarburo. Tales reacciones son exotérmicas y usan aproximadamente 3 moles de hidrógeno por mol de dióxido de carbono involucrado. También producen grandes cantidades de agua como subproducto. [4]
Fuentes de carbono para reciclar [ editar ]
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 US $ 7,50 por tonelada. [6] [18] [13] Sin embargo, esto no es carbono neutral, ya que el carbono es de origen fósil, por lo que mueve carbono de la geosfera a la atmósfera. La captura de gases de escape de los automóviles también se ha considerado económica, pero requeriría grandes cambios de diseño o readaptación. [19] Dado que el ácido carbónico en el agua de mar está en equilibrio químico con el dióxido de carbono atmosférico, se ha estudiado la extracción de carbono del agua de mar. [20] [21]Los investigadores han estimado que la extracción de carbono del agua de mar costaría alrededor de $ 50 por tonelada. [7] 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. [22] La captura directa de aire está menos desarrollada que otros métodos. Las propuestas para este método implican 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 CO 2 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. [3]
Los investigadores también han sugerido el uso de 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, como ocurre con la producción de etanol convencional, compite con la producción de alimentos. [4]
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| Relacionado con el carbono |
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Costos de energía renovable y nuclear [ editar ]
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 su punto máximo durante las horas más cálidas 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 menos costoso que cualquier otra alternativa. Los precios de la energía eólica fuera de las horas pico en las áreas de alta penetración eólica de los 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. [3] Normalmente, la electricidad al por mayor cuesta entre 2 y 5 centavos / kWh durante el día. [23]Las empresas 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 dólares el barril. [24]
En 2010, un equipo de químicos de procesos dirigido por Heather Willauer de la Marina de los EE. UU., Estima que 100 megavatios de electricidad pueden producir 160 metros cúbicos (41,000 galones estadounidenses) de combustible para aviones por día y la producción a bordo de la energía nuclear costaría alrededor de $ 1,600 por cúbico. metro ($ 6 / US gal). 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. [ necesita actualización ] Además, dado que la entrega de combustible a un grupo de batalla de portaaviones cuesta alrededor de $ 2,100 por metro cúbico ($ 8 / galón estadounidense), la producción a bordo ya es mucho menos costosa. [25]
Willauer dijo que el agua de mar es la "mejor opción" como fuente de combustible sintético para aviones. [26] [27] En abril de 2014, el equipo de Willauer aún no había fabricado combustible con el estándar requerido por los aviones militares, [28] [29] pero en septiembre de 2013 pudieron usar el combustible para volar un modelo de avión controlado por radio. impulsado por un motor de combustión interna común de dos tiempos. [30] Debido a que el proceso requiere una gran entrada de energía eléctrica, un primer paso plausible de aplicación sería para americanos de propulsión nuclear portaaviones (la clase Nimitz y el Gerald R. Ford de clase ) para la fabricación de su propio combustible para aviones. [31]Se espera que la Marina de los EE. UU. Implemente la tecnología en algún momento de la década de 2020. [26]
Proyectos de demostración y desarrollo comercial [ editar ]
El Centro de Investigación de Energía Solar e Hidrógeno (ZSW) de Baden-Württemberg y la Sociedad Fraunhofer de Alemania construyeron una planta de síntesis de metano de 250 kilovatios, que comenzó a funcionar en 2010. Se está actualizando a 10 megavatios, cuya finalización está prevista para otoño. 2012. [32] [33]
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. [34] Tiene la capacidad de producir 5 millones litros por año. [35]
Audi ha construido una planta de gas natural licuado (GNL) neutro en carbono en Werlte, Alemania . [36] 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. [37]
Se están produciendo desarrollos comerciales en Columbia, Carolina del Sur , [38] Camarillo, California , [39] y Darlington, Inglaterra . [40] Un proyecto de demostración en Berkeley, California propone sintetizar tanto combustibles como aceites alimentarios a partir de gases de combustión recuperados. [41]
Remediación de gases de efecto invernadero [ editar ]
Los combustibles neutros en carbono pueden conducir a la remediación de gases de efecto invernadero porque el dióxido de carbono se reutilizaría para producir combustible en lugar de liberarse a la atmósfera. La captura del 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. [3] Este enfoque reduciría la emisión neta de dióxido de carbono en aproximadamente un 50% si se utilizara en todas las plantas de energía 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 parasecuestro de carbono . [42] [18] [43] Se espera que dicho reciclaje no solo cueste menos que los impactos económicos excesivos del cambio climático si no se realiza, sino que también se amortizará a medida que el crecimiento de la demanda mundial de combustible y la escasez de petróleo aumenten el precio. de petróleo y gas natural fungible . [44] [45]
La captura de CO 2 directamente del 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. [4] El uso de estos métodos eliminaría por completo la necesidad de combustibles fósiles, suponiendo que se pueda 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. [3]
Tecnologías [ editar ]
Combustibles tradicionales, metanol o etanol [ editar ]
Algunas autoridades han recomendado producir metanol en lugar de combustibles tradicionales para el transporte. Es un líquido a temperaturas normales y puede ser tóxico si se ingiere. El metanol tiene un índice de octanaje más alto que la gasolina pero una densidad de energía más baja , y puede mezclarse con otros combustibles o usarse solo. También se puede utilizar en la producción de hidrocarburos y polímeros más complejos. El Laboratorio de Propulsión a Chorro de Caltech ha desarrollado pilas de combustible de metanol directo para convertir el metanol y el oxígeno en electricidad. [16] Es posible convertir metanol en gasolina, combustible para aviones u otros hidrocarburos, pero eso requiere energía adicional e instalaciones de producción más complejas. [3]El metanol es un poco más corrosivo que los combustibles tradicionales, por lo que se requieren modificaciones de automóviles del orden de US $ 100 cada uno para usarlo. [4] [46]
En 2016, se desarrolló un método que utiliza picos de carbono , nanopartículas de cobre y nitrógeno que convierte el dióxido de carbono en etanol . [47]
Microalgas [ editar ]
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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, siguen siendo fotoautótrofas , capaces de utilizar la energía solar para convertir el dióxido de carbono en carbohidratos y grasas a través de la fotosíntesis . Estos compuestos pueden servir como materias primas para biocombustibles como bioetanol o biodiesel . [48] Por lo tanto, aunqueLa combustión de combustible a base de microalgas para obtener energía aún produciría emisiones como cualquier otro combustible, podría ser casi neutral en carbono si, en conjunto, consumieran tanto dióxido de carbono como 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 [49] y su capacidad para prosperar en una amplia variedad de hábitats acuáticos. [50] Su principal desventaja es su alto costo. Se ha argumentado que sus composiciones químicas únicas y altamente variables pueden hacerlo atractivo para aplicaciones específicas. [48]
Las microalgas también se pueden utilizar como alimento para el ganado debido a sus proteínas. Aún más, algunas especies de microalgas producen compuestos valiosos como pigmentos y productos farmacéuticos. [51]
Producción [ editar ]
Dos formas principales de cultivar microalgas son los sistemas de estanques de canalización y los fotobiorreactores. Los sistemas de estanques de canalización 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). [48] El estanque debe mantenerse poco profundo ya que el sombreado 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 cerrados. Tiene un depósito central por el que circula el caldo de microalgas. Los PBR son un sistema más fácil de controlar en comparación con el sistema de estanques de canalización, pero cuesta unos gastos generales de producción mayores. [ cita requerida ]
Las emisiones de carbono de la biomasa de microalgas producidas en estanques de canalización podrían compararse con las emisiones del biodiesel convencional al tener insumos de energía y nutrientes tan 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,Los sistemas Raceway Pond demuestran un equilibrio energético más atractivo que los sistemas PBR.[ cita requerida ]
Economía [ editar ]
El costo de producción de microalgas-biocombustible a través de la implementación de sistemas de estanques de canalización está dominado por el costo operativo que incluye mano de obra, materias primas y servicios públicos. En el sistema de estanques de canalización, durante el proceso de cultivo, la electricidad ocupa la mayor fracción de energía de los requisitos de energía operativos totales. Se utiliza para hacer circular los cultivos de microalgas. Ocupa una fracción de energía que oscila entre el 22% y el 79%. [48] Por el contrario, el costo de capital domina el costo de producción de biocombustible de microalgas en los PBR. Este sistema tiene un alto costo de instalación, aunque el costo operativo es relativamente más bajo que los sistemas de estanques de canalización. [ cita requerida ]
La producción de biocombustibles de microalgas cuesta una mayor cantidad de dinero en comparación con la producción de combustibles fósiles. El costo estimado de producir microalgas-biocombustible es de alrededor de $ 3,1 por litro ($ 11,57 / galón estadounidense), [52] que es considerablemente más caro que la gasolina convencional.
Impacto ambiental [ editar ]
La construcción de instalaciones de cultivo de microalgas a gran escala resultaría inevitablemente en impactos ambientales negativos relacionados con el cambio de uso de la tierra , como la destrucción de los hábitats naturales existentes. Las microalgas también pueden, en determinadas condiciones, emitir gases de efecto invernadero, como el metano u óxido nitroso , o gases malolientes, como el sulfuro de hidrógeno , aunque esto no se ha estudiado ampliamente hasta la fecha. Si se manejan mal, las toxinas producidas naturalmente por las microalgas pueden filtrarse al suelo circundante o al agua subterránea. [53]
Producción [ editar ]
El agua se somete a electrólisis a altas temperaturas para formar gas hidrógeno y gas oxígeno. 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 un crudo azul que consiste en hidrocarburos. Luego, el crudo azul se refina para producir E-diesel de alta eficiencia. [54] [55] Este método es, sin embargo, todavía discutible porque con la capacidad de producción actual sólo puede producir 3.000 litros en unos pocos meses, 0.0002% de la producción diaria de combustible en los Estados Unidos. [56]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 rendimiento energético de la energía invertida con diésel fósil es 18 veces mayor que el del e-diésel. [57]
Historia [ editar ]
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 utilizando energía nuclear para un depósito de combustible móvil. [58] La producción a bordo de combustible sintético utilizando energía nuclear se estudió en 1977 y 1995. [59] [60] Un informe de 1984 estudió la recuperación de dióxido de carbono de las plantas de combustibles fósiles. [61] 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 . [46]
Ver también [ editar ]
- Fotosíntesis artificial
- Combustible de butanol
- Producción de hidrógeno neutro en carbono
- Reequilibrio del ciclo del carbono
- Sumidero de carbono
- Escenarios de mitigación del cambio climático
- Ingeniería climática (geoingeniería)
- CO2 comprimido como combustible
- Electrocombustible
- Eliminación de combustibles fósiles
- Biocombustibles de cuarta generación
- Economía baja en carbono
- Poder a gas
- Energía sostenible
- Programa de combustibles líquidos sintéticos
Referencias [ editar ]
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Lectura adicional [ editar ]
- McDonald, Thomas M .; Lee, Woo Ram; Mason, Jarad A .; Wiers, Brian M .; Hong, Chang Seop; Long, Jeffrey R. (2012). "Captura de dióxido de carbono del aire y los gases de combustión en el marco de metal orgánico con alquilamina adjunta mmen-Mg 2 (dobpdc)". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 134 (16): 7056–65. doi : 10.1021 / ja300034j . PMID 22475173 . S2CID 207079044 .- tiene 10 artículos que citan a septiembre de 2012, muchos de los cuales discuten la eficiencia y el costo de la recuperación de aire y humos.
- Kulkarni, Ambarish R .; Sholl, David S. (2012). "Análisis de procesos de TSA basados en el equilibrio para la captura directa de CO 2 del aire". Investigación en Química Industrial y de Ingeniería . 51 (25): 8631–45. doi : 10.1021 / ie300691c .- reclama US $ 100 / tonelada de extracción de CO 2 del aire, sin contar los gastos de capital.
- Holligan, Anna (1 de octubre de 2019). "Combustible de avión de la nada: ¿esperanza o exageración de la aviación?" . BBC News . Consultado el 24 de octubre de 2019 .
Enlaces externos [ editar ]
- Doty Windfuels (Columbia, Carolina del Sur)
- CoolPlanet Energy Systems (Camarillo, California)
- Modelo de costos para la hoja de cálculo del proceso de combustible sin combustible nuclear de carbono cero de la Armada de los EE. UU. De John Morgan (enero de 2013; fuente )
- Entrevista con Kathy Lewis del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.
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