La captura de carbono y el camino hacia las cero emisiones netas
Resulta paradójico que, mientras que el dióxido de carbono (CO2) es esencial para toda la vida vegetal de la Tierra, de la que depende a su vez la vida animal y humana, una cantidad excesiva de este gas fundamental en la atmósfera esté causando el calentamiento global y amenace la supervivencia de algunas poblaciones.
El problema de las emisiones de CO2 debidas a la quema excesiva de combustibles fósiles se originó en el siglo XVIII con el inicio de la Revolución Industrial en algunos países. Hoy en día, los científicos han estimado que el aumento de la temperatura media global llegará a 1,5oC entre 2030 y 2052 (figura 1). El volumen de emisiones de CO2 se ha visto incrementado por la industrialización, la urbanización y las poblaciones del planeta, que crecen a un ritmo vertiginoso (figura 2).
La Vigesimoprimera Conferencia de las Partes sobre Cambio Climático (COP21), celebrada en 2015, se marcó un ambicioso objetivo conocido como "carrera hacia el cero" que se debe alcanzar de aquí a 2050. Este importante objetivo de eliminar las emisiones netas de carbono por completo en menos de 30 años requerirá cambios universales en los procesos industriales globales y en las prácticas domésticas de consumo energético. Los métodos mejor conocidos para alcanzar este objetivo incluyen varias formas sostenibles de generación de energía, como la solar y la eólica. Sin embargo, una estrategia menos publicitada, pero igual de importante es la captura de CO2 en la fuente o directamente desde la atmósfera (captura de carbono). Las tecnologías implicadas se ven obstaculizadas por lo elevado de los costes y por una capacidad de almacenamiento bastante limitada, de modo que actualmente solo el 0,1 % de las emisiones globales de CO2 son capturadas. Se prevé que este porcentaje aumentará al 19 % antes de 2050. Las iniciativas de investigación centradas en la tecnología de captura de carbono han aumentado en los últimos años, pero, hasta la fecha, hay pocas aplicaciones que se hayan implementado comercialmente. Dada la creciente concienciación pública y la urgencia de evitar o reducir el cambio climático, ha aumentado la presión por diseñar tecnologías de captura de carbono más eficientes.
La captura de carbono en la CAS Content Collection™
La CAS Content Collection™ es la mayor recopilación de conocimiento científico publicado seleccionada por expertos y permite realizar un análisis cuantitativo de las publicaciones científicas globales con respecto a variables como el tiempo, el área de investigación, la formulación, la aplicación y la composición química. Para evaluar las iniciativas de investigación recientes y en curso en el ámbito de la captura de carbono, se ha elaborado un importante informe de CAS Insights que proporciona una descripción general de las últimas tendencias. El informe resume los resultados de un extenso análisis reciente (unos 18 500 documentos publicados entre 2000 y 2021) que detalla los términos relacionados con la captura del carbono —incluidos los métodos empleados, el almacenamiento o la conversión— utilizados en combinación con términos relacionados con el CO2 atmosférico o su efecto medioambiental.
Principales tendencias de investigación y métodos de captura de carbono
El análisis de la bibliografía reveló que, a partir de 2008, se produjo un rápido incremento de todas las publicaciones relacionadas con la captura y el almacenamiento de carbono. Esta tendencia se ralentizó en la segunda mitad de la década de 2010, pero recientemente ha vuelto a aumentar. Esto podría ser un reflejo de las condiciones económicas dominantes y de la urgencia percibida, pero también parece estar vinculado a los precios del petróleo. Cuando los precios del petróleo son bajos, la captura del carbono parece demasiado cara, de manera que las iniciativas de secuestro y almacenamiento suelen ser limitadas. El análisis encontró un número reducido (10 %) de patentes relacionadas con la captura de carbono, lo que indica un bajo interés comercial por esta tecnología. Sin embargo, recientemente, los números han experimentado un alentador aumento.
Las distintas estrategias para capturar el carbono se encuadran en cuatro categorías: de ciencia de los materiales, biológicas, químicas y geológicas.
Estrategias relacionadas con la ciencia de los materiales
Las estrategias relacionadas con la ciencia de los materiales, incluidos los sistemas para capturar el carbono de los gases de combustión, se resumen en la figura 3 y la tabla 1. Entre ellas, la captura posterior a la combustión es la más usada, ya que se puede implementar en las chimeneas de las centrales eléctricas existentes, pero requiere mucha energía y, por tanto, resulta cara. Un método emergente, la captura directa en el aire, en el que el CO2 se captura directamente desde el aire, podría tener una aplicación generalizada, pero la baja concentración de CO2 atmosférico dificulta el proceso, que tiene un coste elevado.
Tabla 1. Métodos relacionados con la ciencia de los materiales: comparación entre los distintos procesos de captura del CO2.
| Procesos | Ventajas | Desventajas | Dificultad de adaptar las instalaciones |
| Posterior a la combustión | Tecnología más madura, menos cara | El flujo de baja presión con una baja concentración de CO2 reduce la eficiencia de separación, la separación de CO2/N2 resulta difícil | Baja |
| Anterior a la combustión | Flujo de alta presión con alta concentración de CO2, la separación de CO2/H2 es más sencilla | Solo funciona para las plantas de gasificación o reformado; aún no tiene aplicación industrial, el oxígeno puro es caro | Moderada |
| Oxicombustión | Fácil separación de CO2/H2O | La producción de oxígeno puro es muy cara | Alta |
| Bucle químico | Fácil separación de CO2/H2O | Tecnología en una fase temprana; proceso y equipos más complejos | Alta |
Los principales métodos para capturar el carbono de los gases de combustión se resumen en la tabla 2. Incluyen la absorción química con una solución alcalina y la absorción física con disolventes no corrosivos como el metanol o el Selexol. Existen otros métodos, como la adsorción en adsorbentes sólidos porosos, que se ha estudiado a fondo, y la filtración con membranas, que es una tecnología emergente cuyo uso no se ha generalizado aún por su baja eficiencia de separación del CO2.
Tabla 2. Métodos relacionados con la ciencia de los materiales: comparación entre los distintos métodos de captura del CO2.
| Método | Proceso más adecuado | Ventajas | Desventajas | Madurez |
| Absorción | Posterior a la combustión | Tecnología más madura, menor coste, funcionamiento sencillo | Se usa un disolvente corrosivo, la pérdida de disolvente es alta y hace falta una cantidad elevada de energía para regenerar el disolvente | Moderada |
| Adsorción | Anterior a la combustión | Funcionamiento continuo, respetuoso con el medioambiente | Baja selectividad del CO2, es difícil controlar el contacto entre el sólido y el gas para maximizar la capacidad de adsorción, hay demasiados candidatos, el rendimiento real de los adsorbentes es difícil de predecir | Baja |
| Membranas | Posterior y anterior a la combustión | Sistema sencillo y flexible, respetuoso con el medioambiente, no requiere regeneración | Baja permeabilidad de CO2, consumo intensivo de energía, el material de la membrana se deteriora con facilidad | Muy baja |
Métodos biológicos
Los métodos biológicos de captura del carbono aprovechan en su mayoría la fotosíntesis, responsable de la mayor afluencia de CO2 en la Tierra. Diversos materiales de origen vegetal, como la madera o las algas, se convierten en biocombustibles (biomasa) para la combustión y crean procesos sostenibles y neutros desde el punto de vista de las emisiones de carbono. Las tecnologías basadas en enzimas tienen potencial como alternativas a los biosistemas. Un ejemplo destacado es la 1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa (RubisCO), una enzima muy abundante que se ha investigado extensamente. Su captura de CO2, sin embargo, es lenta por naturaleza, pero algunos trabajos en curso están intentando aumentar la actividad de la RubisCO para crear procesos viables a escala industrial.
Métodos químicos
También hay numerosos métodos químicos de captura de carbono, como los procesos catalíticos, que conllevan una reducción con hidrógeno y se han implementado ampliamente a escalas de varias toneladas. Otros métodos de uso común incluyen procesos electroquímicos en los que se usan protones y un catalizador para reducir el CO2. Los procesos fotoquímicos, fototérmicos y fotoelectroquímicos que usan energía limpia son una opción interesante, pero, a fecha de hoy, se ven limitados por la eficiencia de la transferencia de la energía lumínica a un sustrato. Los procesos a base de plasma también tienen potencial, pero necesitan mucha energía y se deben seguir desarrollando para poder usarlos en la captura de carbono.
Métodos geológicos
Los métodos geológicos de captura de carbono son una solución clave para el almacenamiento a largo plazo del CO2 extraído de la atmósfera. El CO2 capturado se puede comprimir, transportar e inyectar en formaciones geológicas porosas profundas o en acuíferos salinos. Este proceso tiene la capacidad de almacenar gigatoneladas de CO2, pero la selección de emplazamientos adecuados es crítica.
Análisis de la bibliografía de CAS sobre la captura de carbono
El análisis de la bibliografía de CAS reveló una baja frecuencia de publicación sobre temas relacionados con el CO2 antes de 2007, seguida de un incremento acusado a principios de la década de 2010 que posteriormente se estabilizó (figura 4). Había menos publicaciones sobre métodos previos a la combustión y oxicombustión, muy probablemente a causa de la dificultad económica de adaptar las instalaciones actuales, aunque estas cifras han aumentado recientemente. La presentación de patentes pareció aumentar en 2012 y estabilizarse después, lo que indica un interés comercial continuado.
El análisis de CAS también mostró que las publicaciones sobre diversos métodos químicos de conversión del CO2 aumentaron rápidamente a lo largo de los seis últimos años en comparación con los años anteriores (figura 5). Entre ellos, la metanación, los procesos mediados por plasma y los métodos de desplazamiento inverso de gas de agua fueron los que despertaron más interés.
Los números de las publicaciones indican un rápido aumento del interés por la fijación biológica del CO2, pero las solicitudes de patentes han sido constantes, lo que refleja que hay un número limitado de tecnologías disponibles para la comercialización (figura 6). Las publicaciones sobre bioenergía con captura y almacenamiento de carbono (BECCS), sin embargo, reflejaron un gran interés.
Las publicaciones sobre el almacenamiento geológico de CO2 crecieron de manera uniforme hasta llegar a un máximo en 2013, pero disminuyeron después (figura 7). Algunos términos de búsqueda, como “acuífero”, “salino”, “salmuera”, “lutita” y “clatrato”, encontraron más publicaciones que otros en los últimos años, lo que refleja más interés en estos tipos de almacenamiento.
Hacer realidad el sueño
El análisis de la bibliografía de CAS, que abarcó 18 500 publicaciones, refleja un interés considerable y con un rápido crecimiento por muchos de los métodos de secuestro de CO2. Actualmente, no predomina ningún método. Hay varios cuyo uso se ha generalizado, pero el análisis refleja que se están realizando grandes esfuerzos de investigación para controlar las tecnologías existentes y desarrollar otras nuevas. Los números de solicitudes de patentes fueron inferiores a los de los artículos de investigación, pero demostraron el interés comercial por algunas tecnologías. Es probable que los resultados más recientes reflejen una mayor concienciación por parte del público sobre el calentamiento global y la convicción de que es esencial llevar a cabo acciones para contrarrestarlo. La aparente correlación entre la actividad investigadora, las condiciones económicas y el precio del petróleo puede disminuir a medida que aumente la urgencia. Las tendencias de publicación identificadas por CAS sugieren que es probable que la investigación y la implementación tecnológica continúen a un ritmo que en el año 2000 era impensable como consecuencia de la concienciación sobre las realidades del calentamiento global.
