Cómo reducir las emisiones de CO2: el papel del dióxido de carbono

Autor:C.A. Hendriks y W.C. Turkenburg
RESUMEN

Las emisiones de gases de efecto invernadero y el riesgo del cambio climático mundial han dado lugar a que la UE exija la reducción de las emisiones de CO2. En este desarrollo se ha dedicado muy poca atención al proceso de Separación del Dióxido de Carbono. Se han comenzado algunas aplicaciones limitadas en Japón y en Noruega pero es necesario seguir investigando para determinar los aspectos medioambientales y de seguridad del almacenamiento.

CONTENIDO

Asunto: Algunos sectores industriales han tomado ya la iniciativa y comienzan a aplicar tecnologías de eliminación de dióxido de carbono. Desde septiembre de 1996, las compañías petrolíferas noruegas están inyectando dióxido de carbono en un acuífero. En Indonesia, se proyecta inyectarlo en acuíferos profundos. La cantidad total que se pretende inyectar se aproxima al equivalente a las emisiones anuales de dióxido de carbono de la UE.

Relevancia: La relación entre las altas tasas de emisión de gases de efecto invernadero y el riesgo de cambio climático se hace cada vez más evidente; al mismo tiempo, las emisiones globales de gases de invernadero debidas al hombre aumentan más y más. Para reducir suficientemente el riesgo de un cambio climático se ha recomendado que las emisiones de dióxido de carbono, el principal gas de efecto invernadero, se reduzcan por lo menos a la mitad para finales del próximo siglo. Ello exige el desarrollo y aplicación de un sistema energético sostenible. Es en este contexto en el que pueden considerarse las tecnologías para recuperar y almacenar el dióxido de carbono.

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Introducción

Uno de los principales desafíos medioambientales actuales consiste en evitar un (posible) cambio climático inducido por el hombre, que causaría graves perjuicios a la salud y al bienestar humanos, así como a los ecosistemas. Según el Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC), grupo científico creado por el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente y la Organización Meteorológica Mundial, parece existir una relación entre el aumento de las concentraciones de gases de efecto invernadero en la atmósfera y el riesgo de un cambio climático. En julio de 1996, los ministros que asistieron la segunda 'Conference of Parties' en Ginebra sentaron las bases científicas para una acción sobre el cambio climático y subrayaron la necesidad de acelerar las consultas con vistas a reforzar el Convenio de Naciones Unidas sobre el Cambio Climático.

Como resultado de esta mayor concienciación, en la reunión de ministros del Medio Ambiente de la UE, celebrada en marzo de 1997, se alcanzó el acuerdo de reducir en un 15 % las emisiones de gases de efecto invernadero para el año 2010, con respecto a los niveles de 1990. Esta propuesta se someterá a la tercera 'Conference of Parties', que se celebrará en Kyoto en diciembre de 1997. En dicha reunión, deberá adoptarse un protocolo u otro instrumento legal que contenga compromisos más estrictos, por parte de los países desarrollados, para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero después del año 2000.

Para alcanzar una situación que impida la peligrosa interferencia del hombre en la atmósfera, se ha recomendado que, antes del año 2010, se estabilice la concentración de dióxido de carbono, el principal gas de invernadero en la atmósfera, a un nivel inferior a 500 ppm (partes por millón), y preferiblemente inferior a 450 ppm. Para llegar a la estabilización a 450 ppm, la emisión global de dióxido de carbono debería reducirse desde el nivel actual de 6 GtC (gigatoneladas de carbón) al año a un nivel inferior a 3 GtC anuales para finales del próximo siglo. Además, las emisiones acumulativas deberían limitarse a 700-1100 GtC, lo que supone 800-1100 GtC menos que en las condiciones actuales. En el artículo 3.1 del Convenio Marco de Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (UN-FCCC) se establece que los países desarrollados deben tomar la delantera para combatir el cambio climático. En consecuencia, se puede decir que una reducción global media del 50 % probablemente implicaría una reducción de al menos el 80 % en el mundo industrializado.

Distintas opciones son aplicables en una estrategia para reducir las emisiones de gases de invernadero. Pero una reducción sustancial y suficiente exige considerables esfuerzos, teniendo en cuenta todas las opciones que puedan aplicarse de forma sostenible. Una de las opciones a la que se ha dedicado todavía poca atención es la eliminación de dióxido de carbono (CDR). Esta técnica consiste en recuperar dióxido de carbono de un proceso de conversión de energía, manteniéndolo después fuera de la atmósfera, por ejemplo almacenándolo bajo tierra. En la actualidad, la opción mejor estudiada es su recuperación en centrales eléctricas y en procesos de recuperación de gas natural, pero existen también buenas oportunidades en otros procesos industriales y, a largo plazo, en el sector del transporte.

El desarrollo de la tecnología CDR se encuentra actualmente en diferentes etapas, con respecto a la recuperación, el transporte y el almacenamiento. La recuperación de dióxido de carbono se ha realizado ya, a pequeña escala, principalmente para emplearlo en la industria de recuperación de petróleo y en la industria alimentaria. Para aplicaciones a gran escala, existen considerables posibilidades de mejorar los diversos métodos de recuperación. Desde el punto de vista técnico, el transporte por tubería y el almacenamiento por inyección subterránea a profundidad son relativamente fáciles de llevar a cabo. En Estados Unidos, ya están en servicio más de 600 kilómetros de tubería para bombear dióxido de carbono. En la industria del petróleo y del gas se ha adquirido también bastante experiencia en el almacenamiento subterráneo de gases. Con vistas a desarrollar la CDR, algunos gobiernos están planeando actualmente proyectos de demostración, para recuperar y almacenar dióxido de carbono. En la Iniciativa sobre Tecnología Climática, lanzada por los países de la OCDE durante la primera 'Conference of Parties', Japón y Estados Unidos pusieron especial énfasis en asignar un mayor papel a la CDR.

En este artículo, vamos a discutir si la CDR puede o no desempeñar un papel importante en la reducción de las emisiones de dióxido de carbono. Además de la viabilidad técnica, ello dependerá de las posibilidades de aplicar otras medidas adecuadas para la reducción de emisiones, como la mejora del rendimiento energético y el uso de fuentes de energía renovables. La aplicación de la CDR también debe adaptarse al logro de una situación sostenible. Ello significa que la CDR debe cumplir las siguientes condiciones:

- ofrecer suficientes posibilidades para que su contribución a la reducción de las emisiones de dióxido de carbono sea importante, durante largos períodos de tiempo;

- ser económicamente asequible;

- obtener un buen rendimiento en el uso de energía y de materiales;

- ser adecuada, desde el punto de vista ambiental;

- ser socialmente aceptable.

A continuación, describiremos brevemente las distintas opciones para reducir las emisiones de dióxido de carbono, en función de su posible impacto sobre dichas emisiones en el próximo siglo. Después, consideraremos con más detalle el posible papel de la CDR, siguiendo los criterios establecidos para alcanzar una situación sostenible.

Opciones para reducir las emisiones de dióxido de carbono

La figura 1 muestra una comparación entre las opciones para reducir las emisiones de dióxido de carbono, basada en diversos estudios publicados (Turkenburg, 1995). A continuación se describen brevemente algunas de estas opciones.

Figura 1. Posibles contribuciones de las distintas opciones para reducir las emisiones acumulativas de dióxido de carbono en el período 1990-2010, en comparación con la situación "usual" actual con una emisión acumulativa de 1600 GtC. Las zonas sombreadas indican inseguridad en las estimaciones. Nótese que las cifras son mutuamente dependientes.

(Gráfico Omitido)

Una opción importante para evitar la emisión de dióxido de carbono consiste en una fuerte reducción de la intensidad energética de la economía, sobre todo mejorando el rendimiento energético y el consumo de materiales. Se podría obtener una mejora del 75 % hacia mediados del próximo siglo. La materialización de esta posibilidad podría evitar la emisión de 600 GtC, en comparación con el caso de referencia "usual" (véase figura 1), correspondiente a una reducción de las emisiones de 600 GtC. Sin embargo, obtener una reducción de 300 GtC es ya un gran reto.

Una segunda opción importante consiste en acelerar el uso de fuentes de energía renovables. Las posibilidades de estas fuentes son enormes y su futuro parece prometedor. Estudios del Banco Mundial y del Consejo Mundial de la Energía, entre otros, estiman que las fuentes de energía renovables podrían satisfacer más de la mitad de nuestras necesidades energéticas para mediados del siglo que viene, aunque pueden pasar todavía veinte años antes de que se consiga una aplicación masiva, de forma competitiva. Análogos puntos de vista ha expresado recientemente la Shell.

El cambio de combustible a otros con menor contenido en carbono es otra opción que puede jugar un papel importante en la reducción de las emisiones de dióxido de carbono. Cambiando de combustible se podría conseguir una reducción acumulativa de las emisiones de 300 GtC, si se recuperase y utilizase, en vez de carbón, una cantidad adicional de, por ejemplo, 10000 EJ de petróleo y 20000 EJ de gas natural.. No se sabe todavía si esto será posible.

La energía nuclear podría tener también, en principio, un papel importante en la reducción de las emisiones de dióxido de carbono. Para reducir sustancialmente la emisión acumulativa de dióxido de carbono, por ejemplo, a unas 300 GtC para el año 2010 se necesitaría aumentar la capacidad de generación en un factor de 10. Como resultado, la energía nuclear cubriría la mitad de la demanda de electricidad para el año 2010. No es seguro, sin embargo, que tal evolución tenga lugar. La energía nuclear se enfrenta a una serie de problemas: seguridad de las instalaciones, costes elevados, duración y eliminación de los residuos, riesgo de proliferación y falta de apoyo popular.

Podemos concluir, en principio, que existen varias opciones que se podrían desarrollar y aplicar para evitar las emisiones de dióxido de carbono. Pero hay que reconocer que no se sabe si dichas opciones se podrán desarrollar a tiempo, ni si se podrán aplicar al nivel necesario. Mientras tanto, la eliminación de dióxido de carbono (CDR) puede cumplir una función importante. Además, la CDR es la única opción para disminuir los gases de invernadero que podría permitir el uso continuado de combustibles fósiles, a gran escala.

Eliminación de dióxido de carbono: En busca de una situación sostenible

Posibilidades para reducir el dióxido de carbono mediante la CDR

La capacidad para reducir las emisiones mediante CDR puede verse limitada por las posibilidades para usar el dióxido de carbono y por el espacio disponible para almacenarlo con seguridad. La tabla 1 presenta los potenciales de almacenamiento tomados de la bibliografía.

Tabla 1. Potenciales estimados, inferior y superior, de las opciones de utilización y almacenamiento de dióxido de carbono (Turkenburg, 1997)

Utilización (1)

0,2

1

GtC/año

Pozos de gas agotados

90

400

GtC

Pozos de petróleo

40

100

GtC

Acuíferos salinos

90

>1000

GtC

Vertido al mar

400

>1200

GtC

(1) Principalmente para uso en la recuperación de petróleo. En menor medida para la fabricación de productos químicos.

Las posibilidades para utilizar como recurso el dióxido de carbono recuperado son interesantes, pero pequeñas. Una opción, todavía no incluida en la tabla, puede ser el uso de dióxido de carbono para recuperar gas de minas de carbón profundas. El dióxido de carbono se utiliza para expulsar el metano de las capas carboníferas. Por cada molécula de metano recuperada se absorben dos moléculas de dióxido de carbono. Estudios preliminares indican que en Holanda se podrían recuperar 7,5 billones de metros cúbicos de gas natural por esta vía. Ello significaría un potencial de almacenamiento de 4 GtC, sólo en Holanda.

Las posibilidades para almacenar dióxido de carbono en campos de petróleo y de gas natural agotados son mucho mayores. Los cálculos van de 130 a 500 GtC, según las cantidades de petróleo y gas recuperables. El potencial estimado para el almacenamiento en acuíferos va de unas 90 GtC a más de 1000. Un reciente estudio exhaustivo para el programa Joule II calcula una capacidad de almacenamiento de 220 GtC en la UE y Noruega. El estudio concluye también que la descarga subterránea es un método perfectamente factible para almacenar cantidades muy grandes de dióxido de carbono, que quedaría retenido, con toda probabilidad, durante millones de años.

El mar constituye también un gran depósito potencial para el dióxido de carbono; de hecho, ya contiene casi 40000 GtC. El mar absorbe, de hecho, más del 85 % del dióxido de carbono liberado a la atmósfera. La descarga de dióxido de carbono directamente a los océanos aceleraría el proceso natural, que es lento de por sí. La elevada estimación de la capacidad de almacenamiento se basa en la limitación del aumento máximo aceptable de la acidez del agua del mar: un cambio de pH (acidez) de 0,2.

Basándose en estas opciones, análisis recientes del Grupo de Trabajo del IPPC sobre opciones para reducir el suministro de energía sugieren que la RDC puede evitar la emisión de al menos 300 GtC.

Contrapartidas en energía y costes de la CDR

Para recuperar y almacenar dióxido de carbono se necesita energía. La extracción de los gases de escape es un proceso que exige, relativamente, mucha energía. Aplicado en una central eléctrica, se necesita un 20-40 % adicional de energía primaria para la recuperación, dependiendo del tipo de central y del método utilizado. El coste está entre 100 y 250 ECU/tC eliminada. Los sistemas de recuperación que suelen necesitar menos energía descarbonizan los combustibles antes de utilizarlos. Un método que se ha sugerido frecuentemente consiste en una central eléctrica con ciclo combinado de gasificación del carbón, integrada con la CDR. De esta forma, el consumo adicional de energía se reduce a menos del 15 % y los costes a menos de 100 ECU/tC eliminada.

La CDR se puede aplicar también a grandes procesos industriales. Según el proceso de que se trate, es posible efectuarla a costes relativamente bajos (por ejemplo, industria del amoniaco, industria del hierro, del acero y refinerías). La aplicación de la CDR en industrias sin grandes flujos de gases ricos en carbono puede ser más difícil de realizar a un coste razonable. En este caso, se deben encontrar otras soluciones, por ejemplo, el uso descentralizado del hidrógeno producido a partir de combustibles fósiles descarbonados centralizados. Con fines comparativos, la figura 2 presenta una escala de costes de distintas opciones para reducir el dióxido de carbono. Debe subrayarse que las cifras de costes reflejan diversos estudios que no se han evaluado separadamente. Los costes dependen fuertemente de las circunstancias locales.

Figura 2. Costes de la reducción de dióxido de carbono, para diversas opciones (Herzog, 1996)

Actualmente, los esfuerzos de I D se dirigen a minimizar las contrapartidas de la CDR en energía y costes. Para ello, no sólo hay que investigar para mejorar los absorbentes, con objeto de diminuir las necesidades energéticas del proceso de depuración, sino también para desarrollar conceptos totalmente nuevos. Una opción interesante, que se está investigando, es la combustión de combustibles que contienen carbono en turbinas de gas y en ausencia de nitrógeno. En este caso, el gas de escape resultante consiste, esencialmente, en dióxido de carbono. La aplicación combinada de la CDR y de pilas de combustible en la producción de electricidad puede también, en principio, disminuir sustancialmente las contrapartidas en energía y costes. Cuando se utilizan pilas de combustible en automóviles, la CDR combinada con la producción de hidrógeno a partir de gas natural puede convertirse en una de las opciones más atractivas para disminuir las emisiones. En el caso de que el dióxido de carbono recuperado se utilice para reforzar la recuperación de gas natural, los costes de producción del hidrógeno pueden aumentar mínimamente, en comparación con el caso en que no se sustrae el dióxido de carbono.

Después de la recuperación, el dióxido de carbono se ha de transportar y almacenar, lo que añade nuevos costes a la eliminación. Los costes del transporte por tubería son de 3-10 ECU/tC (tonelada de carbono) por cada 100 kilómetros, dependiendo del tamaño y la capacidad de la tubería. Los costes del almacenamiento subterráneo son, generalmente, de 4-10 ECU/tC. Los costes del almacenamiento en el mar son más inciertos y pueden llegar hasta 25 ECU/tC.

Aspectos medioambientales y seguridad

Para que la CDR pueda desempeñar un papel importante, hay que prestar especial atención a su fiabilidad y seguridad y a las consecuencias medioambientales del almacenamiento del dióxido de carbono. ¿Cabe la posibilidad de que se produzca, a corto plazo, un escape de grandes cantidades de dióxido de carbono, con riesgo para las vidas humanas, como ocurrió en 1986 en el lago Nyos, una región volcánica de Africa, donde murieron más de 1700 personas? Dada la experiencia adquirida en el almacenamiento subterráneo de gases, las probabilidades de que esto ocurra son muy pequeñas. Los expertos han calificado el peligro de un escape catastrófico de dióxido de carbono como un suceso altamente improbable. Sin embargo, hay que prestar la atención debida a una planificación hecha con la necesaria anticipación, a un mantenimiento adecuado y a la aplicación de materiales. El riesgo se reduciría aun más si el almacenamiento se realiza lejos de la costa. Otras posibles consecuencias del almacenamiento subterráneo de dióxido de carbono, que hay que investigar, son la disolución de la roca base, la esterilización de las fuentes minerales y los efectos sobre las aguas subterráneas.

Cuando se almacena dióxido de carbono en aguas profundas, el principal impacto sería sobre los organismos marinos no nadadores (por ejemplo, zooplankton, bacterias y bentos), especialmente en el área de vertido, aunque los datos disponibles sugieren que la mortalidad asociada al cambio de pH sería mínima, si la inyección se diseña adecuadamente para dispersar el dióxido de carbono, a medida que se disuelve. Sin embargo, aparte de los riesgos para la seguridad, habría que saber mucho más acerca del impacto sobre la vida marina y acerca del tiempo de retención del dióxido de carbono en el agua del mar.

Aceptación social: el ejemplo de Holanda

En el período 1993-1995, se hizo una consulta a los holandeses sobre sus opiniones, actitudes y preferencias en cuanto al suministro de electricidad y al efecto invernadero. Según los resultados, los encuestados preferían una combinación de tres opciones para equilibrar las futuras demanda y oferta de electricidad para el año 2010: mayor ahorro de energía, producción de electricidad con gas natural y producción de electricidad a partir de carbón, combinada con eliminación de dióxido de carbono. Un segundo paquete de medidas, que suponen mayor ahorro, como la energía nuclear o el uso de carbón sin CDR, obtuvo una prioridad significativamente menor. En otra encuesta, realizada entre directivos del sector de los negocios, la CDR obtuvo una preferencia menor que las "energías renovables" o los "mayores ahorros de energía", pero mayor que la "energía nuclear" o el "cambio de combustible".

Estos estudios indican que, actualmente en Holanda, la CDR se considera como una opción aceptable. Que ello continúe siendo así dependerá probablemente, en primer lugar, de (la percepción de) los aspectos medioambientales y de seguridad del almacenamiento de dióxido de carbono y de los resultados de las políticas que se emprendan para estimular el uso eficaz de la energía y la aplicación de fuentes de energía renovables.

La CDR puede ser una opción viable para reducir las emisiones de dióxido de carbono, con costes de 4-200 ECU por t/C eliminada y un potencial de al menos 300 GtC. Los estudios indican que el almacenamiento subterráneo puede tener un efecto medioambiental limitado. El impacto del almacenamiento en el mar es mucho más incierto. Todavía hay amplio margen para mejorar el rendimiento de la CDR, pero se necesitarán considerables esfuerzos en investigación, desarrollo y demostración.

Actividades actuales sobre eliminación de dióxido de carbono

Los programas de investigación más importantes sobre eliminación de dióxido de carbono se están llevando a cabo en Japón. El interés de este país en el tema es doble: en primer lugar, una auténtica preocupación por el medio ambiente mundial, pero también un interés por desarrollar tecnologías comerciales, que se puedan vender en todo el mundo. Desde 1990, el gobierno japonés ha invertido 300 millones de ECU. En comparación, los esfuerzos en Estados Unidos y en Europa son muy modestos, con un nivel de gasto considerablemente menor. Recientemente, en un Libro Blanco preparado por expertos del Massachusetts Institute of Technology (MIT) se recomendaba un aumento del presupuesto de Estados Unidos en una media de 40 millones ECU al año, durante los próximos cinco años. En los últimos años, se han desarrollado experiencias sobre CDR en varios países. En Japón, dos importantes compañías eléctricas están poniendo a punto procesos mejorados de recuperación de dióxido de carbono. También se está prestando atención al almacenamiento de dióxido de carbono en aguas profundas y se han anunciado planes para el almacenamiento subterráneo. En Holanda, se ha propuesto recientemente un proyecto de demostración sobre almacenamiento subterráneo, en el que se inyectará un millón de toneladas de dióxido de carbono por año, en acuíferos profundos; el dióxido de carbono procede de una gran planta de producción de hidrógeno. La planta emite grandes flujos de dióxido de carbono concentrado, que se puede recuperar a muy bajo coste. El coste total del proyecto (debido principalmente a la compresión y al almacenamiento que son necesarios) se calcula en 60 MECU.

En septiembre de 1996 comenzó en Noruega el primer proyecto de CDR "comercial". Un consorcio de cuatro compañías petrolíferas inyecta un millón de toneladas de dióxido de carbono por año, en un acuífero a un kilómetro de profundidad, bajo el yacimiento de Sleipner West, situado lejos de la costa. El dióxido de carbono se separa de un gas natural, rico en CO2, recuperado del yacimiento de gas natural de Sleipner East.

El proyecto pionero de Noruega puede tener pronto un sucesor. Las empresas Exxon y Pertamina han obtenido una licencia del gobierno de Indonesia para explorar el yacimiento de gas de Natuna, uno de los mayores del mundo. Este depósito contiene seis billones (6x1012) de metros cúbicos de gas, en el que el dióxido de carbono supone el 71 % del total. Para usar este gas natural hay que eliminar el dióxido de carbono. Normalmente, el dióxido de carbono recuperado se libera a la atmósfera; en este caso, sin embargo, se va a comprimir, transportar e inyectar en dos acuíferos a distancias de 35 y 75 kilómetros, respectivamente, del yacimiento. Se inyectará un millón de toneladas diarias de dióxido de carbono y la cantidad total que se va a inyectar equivale a la emisión anual de la UE, en la actualidad. El coste previsto de la recuperación y almacenamiento de dióxido de carbono es de 17 mil millones ECU (17x109 ECU), casi la mitad del coste del proyecto (36 mil millones ECU). Según Exxon, el proyecto se encuentra en fase avanzada y su ejecución depende únicamente de la firma del contrato de venta del gas natural.

En el momento actual, no existen incentivos financieros directos para desarrollar la CDR, como parte de la gestión operativa. Aunque Noruega aplica un impuesto sobre el carbono, de unos 5O ECU por tonelada de CO2 liberada, esto no se aplica al dióxido de carbono liberado en procesos donde no hay combustión. La razón puede ser que la industria petrolífera noruega teme que se amplíe la legislación sobre este tipo de emisiones. Aunque en Indonesia no se han comunicado oficialmente las razones para realizar el proceso de eliminación del dióxido de carbono, relativamente costoso, éstas pueden provenir de una petición del gobierno indonesio, temeroso de que en el futuro haya mayores limitaciones a las emisiones de dióxido de carbono, derivadas de las negociaciones venideras relacionadas con el CO2. No obstante, los proyectos de CDR de Noruega e Indonesia pueden sentar un precedente para futuras actividades de recuperación de hidrocarburos.

Conclusiones

En la actualidad, los combustibles fósiles suponen un 85 % del suministro de energía. Es improbable que esta proporción se pueda reducir drásticamente, a corto plazo, sin graves perjuicios económicos. Por tanto, para disminuir las emisiones de dióxido de carbono hasta un nivel sostenible, habrá que desarrollar una estrategia de reducción a largo plazo, teniendo en cuenta el uso de combustibles fósiles. A este fin, se precisa un ambicioso programa de investigación para explorar la amplia gama de opciones válidas para diversos marcos temporales. La eliminación de dióxido de carbono (CDR) puede ser, y quizás tenga que ser, uno de los elementos de tal estrategia. Los primeros análisis indican que la CDR se puede aplicar dentro de la búsqueda de un desarrollo sostenible. Pero esta aplicación sólo tendrá sentido si se integra en una política encaminada a desarrollar fuentes de energía y tecnologías energéticas que produzcan poco o ningún dióxido de carbono; y no que evite dicho desarrollo.

Antes de que la CDR se pueda desarrollar a gran escala, se precisan nuevas investigaciones y ensayos para evaluar su viabilidad y para reducir las contrapartidas en energía y costes. Debe prestarse especial atención a los aspectos medioambientales y de seguridad del almacenamiento de dióxido de carbono.