Unir la naturaleza y la tecnología para las soluciones climáticas

Un rincón del desierto de Omán está cubierto por un tipo de roca con una insaciable sed de un gas incoloro e inodoro vital para la vida en la Tierra. Ese gas es CO2, y cuando reacciona con la peridotita, una roca abundante en el manto de la Tierra, se empapa, formando un carbonato sólido similar a la piedra caliza.

La peridotita de Omán actualmente absorbe entre 10.000 y 100.000 toneladas de dióxido de carbono al año, pero los científicos dicen que con una pequeña intervención humana podría acelerarse para absorber un octavo de los 38.000 millones de toneladas de CO2 emitidos por la quema de fósiles Combustibles en todo el mundo. Un gas de efecto invernadero, el CO2 se acumula en la atmósfera terrestre, donde atrapa calor y eleva la temperatura media global, alimentando condiciones climáticas extremas tales como olas de calor más calientes, sequías más frecuentes y huracanes más poderosos. La concentración actual de CO2 es de alrededor de 400 ppm, el más alto que ha estado en al menos los últimos 800.000 años.

Aunque es sólo uno de los tipos de roca con propiedades de absorción de CO2 y sólo un método para reducir el impacto de las emisiones de CO2, la peridotita podría ayudar a mitigar los riesgos inminentes que plantea el cambio climático.

Peter Kelemen y Juerg Matter, geólogos del Observatorio de la Tierra Lamont-Doherty de la Universidad de Columbia, descubrieron la afinidad del peridotito por consumir CO2 cuando lo introdujeron en el laboratorio para determinar su edad. Al darse cuenta de que la peridotita había reaccionado con CO2 hace relativamente poco tiempo, comenzaron a conceptualizar qué escala podría tener la reacción.

Aunque sería demasiado costoso mover la roca cerca de las centrales eléctricas donde podría absorber las emisiones, los investigadores sugieren que el CO2 podría ser canalizado en el manto cargado de peridotita de la Tierra a través de un proceso similar a la fracturación hidráulica. Esto podría abrir un depósito gigante para el gas que no dependería de la localización, pero lleva consigo implicaciones ambientales que necesitarían ser consideradas cuidadosamente.

Soluciones impulsadas por la naturaleza

Los geólogos siempre han comprendido que las rocas son un importante sumidero de carbono. La meteorización de la roca ocurre cuando el CO2 se disuelve en gotitas de agua de lluvia, agregando la acidez necesaria para disolver los minerales que componen la roca. La meteorización de la roca extrae aproximadamente un billón de toneladas de CO2 de la atmósfera anualmente.

“La comprensión de estos procesos químicos naturales puede conducir a avances que nos permiten utilizar y acelerar los procesos que reducen el CO2 en la atmósfera”, dice Bradley Sageman, profesor y director de ciencias terrestres y planetarias de Northwestern. “Métodos como estos que son tecnología estándar hoy en día se consideraban ciencia ficción en el pasado, tomemos el ejemplo de peridotita de Omán. Si pudiéramos aprovechar esa reacción, tenemos un mecanismo potencialmente transformador para absorber CO2 a escanola”.

Algunos de los colegas de Sageman estudian la cinética de las reacciones de meteorización para obtener una comprensión fundamental del ciclo del carbono, la transformación circular del carbono entre los seres vivos y el medio ambiente. Los usuarios naturales de CO2 incluyen bosques, humedales y turberas. Los científicos han estudiado estos y otros sumideros de carbono para desarrollar muchos procesos artificiales que producen efectos similares.

Dos tipos comúnmente discutidos de secuestro artificial son el almacenamiento en el océano, el bombeo de CO2 en el fondo del océano y el secuestro geológico, inyectando CO2 profundamente en depósitos de petróleo y gas agotados o en camas de carbón que no pueden ser extraídas. Los científicos dudan en perseguir cualquiera de estas soluciones agresivamente por preocupaciones sobre la estabilidad de los sistemas naturales perturbados y los efectos potenciales sobre la vida del océano.

Para entender mejor la dinámica de las soluciones de almacenamiento, Sageman y su equipo buscan períodos en la historia de la Tierra caracterizados por altos niveles de CO2 atmosférico y calentamiento. “Mucho del trabajo que hacemos es mejorar nuestra comprensión de cómo el sistema de la tierra se comportó durante acontecimientos pasados ​​del calentamiento global. Esto debe llevar a un marco mejor para discernir qué puede suceder en un mundo que se calienta futuro,” él dice.

Mientras que la captura y el almacenamiento a largo plazo de CO2 sugieren algunas soluciones viables para mitigar el CO2, los científicos también están considerando al gas como un recurso para crear energía limpia. En todo el mundo, los investigadores están demostrando que el CO2 puede ser un ingrediente clave en muchas tecnologías que producen energía limpia y neutra en carbono.

Estas tecnologías podrían complementar los actuales sistemas basados ​​en combustibles fósiles para reducir las emisiones y eventualmente capturar CO2 de la atmósfera para ayudar a mitigar el cambio climático. Las empresas grandes y pequeñas, a través de las industrias que van desde la energía a las líneas aéreas a la automoción, están tomando nota.

Soluciones de fuerza industrial

Los estrategas de la industria de todo el mundo, desde pequeñas empresas emergentes hasta multinacionales, buscan definir sus roles y oportunidades en un futuro de energía limpia. Están buscando habilidades, tecnologías o tecnólogos complementarios que estén en el proceso de desarrollar innovaciones que sean técnicamente viables, pero carecen de una visión hacia el mercado. Saben que con el riesgo viene la recompensa, y los pioneros no están esperando alrededor de la solución perfecta a sus necesidades energéticas; Están trabajando con los tecnólogos más brillantes para crearlo.

En comparación con las empresas de muchas otras industrias, no se sabe que las empresas de servicios públicos inviertan fuertemente en investigación y desarrollo, dependiendo en cambio de una base de conocimientos relativamente estática. Interrumpiendo ese statu quo, Exelon, la mayor utilidad regulada del país que atiende a 10 millones de consumidores, está invirtiendo agresivamente en tecnologías que puede dar forma a productos orientados al cliente.

Exelon está invirtiendo en muchos proyectos de etapas tempranas e intermedias que complementan sus servicios al mismo tiempo que reducen su huella de carbono, incluyendo inversiones en energía solar, pilas de combustible y baterías. Un ejemplo, una empresa llamada NetPower, utiliza CO2 como fluido de trabajo para impulsar una turbina de combustión que genera electricidad sin producir emisiones. El sistema también produce CO2 de calidad de tubería que se puede almacenar o utilizar en procesos industriales, incluido un proceso mejorado de recuperación de aceite en el que se inyecta CO2 en un depósito de petróleo para aumentar la producción.

En marzo de 2016, NetPower inició una planta de demostración de 50 megavatios en La Porte, Texas, con el objetivo de operar tan eficientemente como las mejores plantas de gas natural de la actualidad. Parte de un programa de $ 140 millones, la planta incluirá avances tecnológicos en curso, un completo programa de pruebas y operaciones y desarrollo de productos comerciales. Toshiba proporcionará una turbina supercrítica de CO2 y una cámara de combustión para el proyecto.

“Muchas personas dicen que el gas natural es un puente de combustible para reducir las emisiones en el sector eléctrico, pero debido a que la mayoría de las plantas de gas natural son impulsadas por turbinas que dependen de un ciclo tradicional de vapor, no pueden producir CO2 de alta calidad que pueda ser reutilizado para otros Cosas “, dice Gould. “Además, dado que las plantas de NetPower no requieren vapor para impulsar sus turbinas, también elimina el uso de agua”.

Creación de valor de combustible

Al igual que NetPower, muchas empresas de tecnología han desarrollado procesos para ayudar a las industrias a reducir su huella de carbono y, en algunos casos, a fabricar nuevos productos en el proceso. Una de estas empresas, LanzaTech, está haciendo olas en el reciclaje de carbono con un proceso biológico patentado que utiliza un microbio para convertir las emisiones industriales en combustibles y productos químicos útiles.


“Convertimos las emisiones en una variedad de nuevos productos valiosos que de otra manera vendrían de materias primas”
, dice Prabhakar Nair, vicepresidente de LanzaTech para el desarrollo de negocios.

El proceso de LanzaTech trabaja con una variedad de microbios, lo que permite al cliente especificar la producción deseada -en la actualidad etanol o butanodiol- y aprovechar las condiciones del mercado.

Después de abrir dos plantas de pre-producción en China, LanzaTech planea abrir su primera planta comercial escalonada en Shanghai a finales de 2017. La compañía también está trabajando con el mayor productor de acero del mundo, ArcelorMittal, para implementar un proyecto a escala comercial en su buque insignia de acero En Bélgica.

La clave del éxito de la compañía, según Nair, radica en la sinergia entre la tecnología, los socios de la industria y los compradores de productos. El servicio completo en una instalación a escala de demostración incluye vincular a los socios de la industria con los compradores para el subproducto que se produce allí. Por ejemplo, LanzaTech ha vinculado productores de acero a las refinerías locales que son requeridas por la regulación para mezclar el etanol en sus mezclas de combustible.

“Al servir como puente entre las industrias que tienen un suministro de materias primas y las que tienen una necesidad, y haciendo eso con las emisiones de residuos, estamos poniendo en marcha la economía circular”, dice Nair.

Recientemente, la compañía recibió $ 4 millones de la Oficina de Tecnologías de Bioenergía del Departamento de Energía de Estados Unidos para diseñar y planificar una instalación a escala de demostración usando gases industriales de fabricación de acero para producir tres millones de galones de jet de bajo carbono y diesel por año. Esto viene en los talones de una sociedad con el Virgin Atlantic, que planea un vuelo de prueba en 2017 usando el combustible del jet hecho del etanol bajo-carbón propietario de LanzaTech. LanzaTech estima que su tecnología es compatible con el 65 por ciento de las acerías, y si se implementa podría producir 15 mil millones de galones de combustible de avión por año, o una quinta parte del combustible de aviación utilizado en todo el mundo.

La Carrera a la Refinería Solar

Imagínese ir a la gasolinera mañana, pero en lugar de elegir entre sin plomo, más o diesel, se llega a un combustible altamente eficiente hecho sólo de la luz del sol, agua y CO2.

Estos mismos componentes que componen este “combustible solar” son las mismas tres cosas que las plantas vivas convierten en alimento. Bautizada como “fotosíntesis artificial”, a escala este proceso podría saltar grandes obstáculos en la reducción de la dependencia de los combustibles fósiles.

Con sus ventajas, no es de extrañar que la investigación sobre los combustibles solares haya despegado en todo el mundo, desde los centros de Japón y Suecia hasta el Joint Center for Photosynthesis Artificial (JCAP) en California, fundada por el Departamento de Energía de Estados Unidos en 2010. Con un presupuesto De 122 millones de dólares en cinco años, la misión de JCAP es construir un prototipo de un sistema de combustibles solares.

Los componentes del sistema previstos en JCAP son bastante básicos. El sistema requiere un material fotovoltaico para absorber la energía luminosa del sol, que luego se dirige a dos catalizadores separados para reducir el obstáculo energético para una reacción. Un catalizador divide el agua en protones y oxígeno y el otro convierte dióxido de carbono y protones en hidrocarburos, los principales componentes de los combustibles. Aunque estos procesos son actualmente posibles, todavía presentan desafíos.

Uno es económico. Los materiales utilizados en la fotovoltaica y los catalizadores son caros, incluyendo materiales raros como el iridio o el platino, que presenta un reto de escalabilidad. La otra es la eficiencia. Aunque diez veces más eficiente que la fotosíntesis natural en la captura y conversión de la energía del sol, la mayor eficiencia registrada para la fotosíntesis artificial es todavía sólo el 10 por ciento. Eso es menos de la mitad de la eficiencia de los paneles de silicio en el mercado hoy en día.

Entonces, ¿por qué todo el alboroto para hacer combustibles de alta densidad de energía cuando tenemos tecnologías renovables más eficientes disponibles hoy en día? Las fuentes de energía renovable, incluyendo el solar y el viento, sólo pueden generarse de forma intermitente, cuando el sol brilla o sopla viento. Los combustibles presentan una opción viable para el almacenamiento de energía a escala de la red que podría compensar esa intermitencia y ser fácilmente transportados a donde se necesitan.

La densidad de energía de los combustibles es también alrededor de 100 veces mayor que la de las baterías de mayor rendimiento, y muchos métodos de transporte -incluyendo automóviles, barcos y aviones- ya tienen la infraestructura para funcionar con combustibles. Y cuando se trata de mitigar los efectos del cambio climático, si estos combustibles fueran hechos de dióxido de carbono capturado desde el aire, el proceso sería neutro en carbono y no emitirían nuevos gases de efecto invernadero a la atmósfera.

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