La energía y el cambio climático mundial
Captura y almacenamiento del carbono

La captura y el almacenamiento de dióxido de carbono (CO₂) tienen el potencial de reducir considerablemente la cantidad de CO₂ liberada a la atmósfera. Las tecnologías necesarias para separar el CO₂ de otros gases y secuestrarlo son conocidas. Se necesita más desarrollo para implementar la captura y el almacenamiento de CO₂ en gran escala.

Al quemar combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas) incrementamos la concentración de CO₂ en la atmósfera. La concentración de CO₂ ahora es de 379 partes por millón. Esto es considerablemente mayor que lo que ha sido en cualquier momento en los últimos 600.000 años. Los especialistas en climatología coinciden en que el aumento en la concentración de CO₂ es la causa principal del aumento en la temperatura del planeta.

Una manera de reducir el CO₂ que se libera a la atmósfera es contar con más fuentes alternativas de energía que no producen CO₂. Estas incluyen la energía hidroeléctrica, eólica, solar, nuclear, geotérmica y de las mareas. Cada una de ellas tiene sus limitaciones y será difícil realizar un cambio repentino para pasar de los combustibles fósiles a estas otras fuentes. ¿Pero qué sucede si el CO₂ producido por la combustión de combustibles fósiles no llega a la atmósfera? En lugar de permitir que el CO₂ suba hasta la chimenea hacia el aire, ¿podemos capturarlo y colocarlo en otro lado? ¿Es posible hacerlo?

Sí, lo es. El proceso se llama Captura y Almacenamiento de CO₂. Actualmente se realiza en una pequeña escala. Tiene el potencial de marcar una diferencia importante en la cantidad de CO₂ que liberamos a la atmósfera. Tal como el nombre lo indica, este proceso consiste de dos etapas. El primer desafío consiste en capturar el CO₂ en lugar de dejarlo subir a la chimenea. Luego debe ser almacenado o “secuestrado” de manera segura por un largo período de tiempo. La idea de secuestrar el CO₂ para reducir la cantidad que ingresa en la atmósfera es bastante nueva. Pero la tecnología para realizarlo se ha desarrollado para otras razones. Tenemos una ventaja.

Captura del CO₂

El mejor lugar para capturar el CO₂ es en las fuentes de mayor emisión. Las plantas de energía que generan electricidad producen casi un tercio de las emisiones globales de CO₂. Además, el CO₂ es un derivado de la producción de hierro y acero, así como de la producción de cemento. El CO₂ también se elimina del gas natural antes de que pueda ser usado como combustible. Estos procesos industriales son buenos candidatos para la captura y almacenamiento de CO₂ porque son fuentes a gran escala en un lugar fijo. Por el contrario, sería difícil capturar las emisiones de CO₂ de los automóviles. Los principales combustibles fósiles para las plantas de energía son el gas natural y el carbón. Estos combustibles se queman en presencia de aire. El calor resultante se usa para crear vapor que impulse las turbinas, las cuales hacen funcionar a los generadores eléctricos. O el gas puede quemarse para impulsar las turbinas directamente. En cualquiera de los casos, el oxígeno en el aire se combina con el carbono en el combustible para producir CO₂. El CO₂ es liberado al aire. Cuando se quema gas natural, el hidrógeno del metano (CH₄) también se combina con el oxígeno para formar agua.

Pero el aire que se utilizó para quemar el combustible contenía nitrógeno en su mayoría. Este nitrógeno no participa en el proceso de combustión. Atraviesa y sube la chimenea. Las emisiones de la planta de energía, llamadas gases de combustión, habitualmente constituyen sólo un 10% a un 15% de CO₂ en una planta de combustión de carbón y casi un 5% cuando el gas natural es el combustible. En principio podríamos almacenar todos los gases de combustión, pero esto podría llenar la capacidad de almacenamiento en su mayoría con nitrógeno que no necesita ser secuestrado. Para almacenar el CO₂ en forma eficiente, primero se lo debe separar de los demás gases de combustión. ¿Cómo se hace?

Existen tres estrategias:

1. Separar el CO₂ después de la combustión.
2. Retirar el carbono del combustible antes de la combustión de modo que sólo quememos hidrógeno y produzcamos sólo agua.
3. Quemar los combustibles fósiles en oxígeno en lugar de hacerlo en aire genera CO₂ concentrado.

Se pueden utilizar soluciones químicas para disolver el CO₂ en el pasaje de los demás gases hacia la atmósfera. Esta técnica que hoy se utiliza ampliamente emplea un grupo de compuestos llamados aminas. Absorben el CO₂ formando enlaces químicos, especialmente en condiciones de alta presión y baja temperatura. Este proceso recibe el nombre de “depuración”. La solución química resultante luego se calienta y se reduce su presión, liberando el CO₂ concentrado.

Se utilizan otros solventes para disolver el CO₂ sin enlaces químicos. En este proceso de absorción física el CO₂ se disuelve bajo presión y luego es retirado del solvente reduciendo la presión. El solvente entonces puede ser reutilizado. Otra estrategia para capturar el CO₂ es enfriar los gases de combustión al punto en el que el CO₂ se transforma en líquido. Este proceso requiere gran cantidad de energía para refrigeración. Una de las ventajas es que el líquido puede ser transportado fácilmente en camión o barco. También es posible separar los gases utilizando delgadas láminas llamadas membranas. Algunos gases atravesarán la membrana más rápidamente que otros. Esto permite que se separen los diferentes gases entre sí.

Retiro del carbono antes de la combustión

El combustible en el gas natural es el metano (CH₄). Al quemarlo produce CO₂ y agua (H₂O). Si podemos extraer el carbono antes de la combustión nos quedará el hidrógeno, que sólo produce agua al ser quemado. Hacer esto implica reaccionar el combustible con oxígeno y/o vapor para producir monóxido de carbono (CO) e hidrógeno. Entonces el monóxido de carbono se reacciona con más vapor para producir CO₂ y más hidrógeno. Finalmente, se separa el CO₂ y se utiliza el hidrógeno como combustible en una turbina de gas.

Combustión con oxígeno en lugar de aire

El nitrógeno compone el 78% del aire. Se mantiene prácticamente invariable en el proceso de combustión del combustible. Es el principal gas que diluye al CO₂ en la mezcla de los gases de combustión. Si el combustible es quemado en oxígeno puro, en lugar de aire, la concentración de CO₂ en el efluente puede aumentar a más del 80%. Este proceso descarta la necesidad de realizar mayor concentración del gas de combustión antes del secuestro del CO₂. El desafío consiste en hallar la manera de separar el oxígeno del resto del aire, que es principalmente nitrógeno. Las estrategias son similares a las utilizadas para separar el CO₂. Se puede refrigerar el aire para licuar el oxígeno. Las membranas que atraviesan el oxígeno y el nitrógeno a diferentes velocidades pueden provocar la separación. También existen materiales que absorben nitrógeno, separándolo así del oxígeno. Entonces puede recurrirse a ellos para liberar el nitrógeno y luego reutilizarlos.

Tecnologías de secuestro

Una vez que se ha capturado el CO₂, el siguiente paso es almacenarlo en algún lado. Aquí tienes algunas opciones.

Formaciones geológicas

El almacenamiento en las formaciones geológicas es actualmente la solución más promisoria para el secuestro a gran escala y largo plazo de CO₂. Algunos proyectos ya se están concretando. Para reducir los gases de invernadero y el calentamiento global, el CO₂ almacenado debe mantenerse fuera de la atmósfera por cientos o miles de años. Las reservas de petróleo y gas natural, los depósitos acuíferos profundos de agua salina y las capas de carbón han existido durante millones de años con cambios apenas muy graduales. Está sólidamente demostrado que si se administran adecuadamente, estas formaciones podrían ser un almacenamiento de largo plazo de CO₂.

Reservas agotadas de gas natural y petróleo

Muchas personas creen que en las grandes cavernas subterráneas se encuentra petróleo y gas natural. Éste no es precisamente el caso. Por el contrario, estos hidrocarburos se encuentran en rocas permeables y porosas como la arenisca. Estas rocas contienen espacios microscópicos llamados poros, que se llenan de líquido. Estos líquidos pueden ser agua, petróleo o gas natural. Una reserva de gas natural o petróleo se parece más a una esponja que a una botella. Una vez que un yacimiento ha sido productivo por un período de tiempo, una buena parte de los hidrocarburos se han eliminado. Hay espacio disponible para almacenar CO₂. La capa de roca porosa y permeable que contiene estos líquidos está cubierta por una capa de roca impermeable (a menudo sal o arcilla) que no les permite pasar. Normalmente, el petróleo y el gas natural tenderán a ascender a través de la roca permeable porque son más livianos que el agua que también se encuentra en dichas formaciones rocosas. La capa de roca los atrapa. Dado que el petróleo y el gas natural han permanecido secuestrados en dichas formaciones por millones de años, hay una buena razón para creer que el CO₂ también permanecerá allí.

Recuperación Mejorada del Petróleo (EOR)

Gran parte de la tecnología necesaria para almacenar CO₂ en yacimientos ya se utiliza en un proceso conocido como Recuperación Mejorada del Petróleo (EOR, por su sigla en inglés). Cuando se perfora por primera vez una reserva el petróleo habitualmente está bajo presión y fluye libremente a la superficie. A medida que se retira el petróleo, la presión disminuye y se necesita bombear para recuperar más. En algún punto, la recuperación resulta ineficiente y se detiene, o se utilizan técnicas adicionales para extraer más petróleo. Un enfoque consiste en bombear CO₂ en la reserva. Esto aumenta la presión de manera que el petróleo fluye más fácilmente. Además, el CO₂ se disuelve en el petróleo y lo hace menos viscoso fluyendo así con más facilidad. También se expande en volumen, aumentando más la presión. Se bombea CO₂ en la reserva a través de un “pozo de inyección”. Esto empuja el petróleo hacia un “pozo de producción” donde se eleva a la superficie.

En la Recuperación Mejorada del Petróleo se bombea CO₂ en la reserva a través de un pozo de inyección. Se mezcla con el petróleo restante formando una “zona de mezcla”. La presión del CO₂ y el petróleo expandido empujan un banco de petróleo hacia el pozo de producción donde se eleva a la superficie. Luego, el CO₂ se separa del petróleo y puede ser agregado a la corriente de CO₂ que ingresa al pozo de inyección. Un efecto colateral de la Recuperación Mejorada del Petróleo es que el CO₂ que se utilizó para empujar el petróleo fuera de la formación ahora está secuestrado.

Existen muchos proyectos de EOR que usan la inyección de CO₂ en todo el mundo. Un buen ejemplo es el yacimiento Weyburn en Canadá.

Un efecto colateral de la Recuperación Mejorada del Petróleo es que el CO₂ queda secuestrado en la formación rocosa. Si el objetivo es almacenar CO₂ y no la recuperación de petróleo, entonces pueden utilizarse yacimientos agotados o casi agotados para secuestrar incluso si no son buenos candidatos para la Recuperación Mejorada del Petróleo.

¿Cuáles son los potenciales problemas que puede presentar el secuestro de CO₂? La gran pregunta es si el CO₂ se fugará de la reserva. La fuga podría ser un problema porque devolvería el CO₂ secuestrado a la atmósfera. Esto acabaría con el propósito del proyecto.

Cuando se perfora un pozo, el paso final del proceso es insertar un tubo de acero en la excavación y llenar el espacio entre el tubo y la excavación con cemento. El tubo, llamado entubado, luego se perfora para permitir que el petróleo fluya hacia el tubo y hasta la superficie. Cuando el pozo deja de ser productivo puede sellarse en su extremo superior.

Si la fuga fuera repentina, podría matar gente. El CO₂ no es venenoso pero si reemplaza al oxígeno disponible las personas pueden asfixiarse. Como el CO₂ es más pesado que el aire puede acumularse en lugares bajos tales como sótanos y valles. Han existido emisiones naturales de CO₂ que causaron muertes. Uno de dichos desastres ocurrió en Lake Nyos en Camerún. El lago es un área con actividad volcánica con fuga de dióxido de carbono hacia las aguas del lago desde abajo. El 21 de agosto de 1986 hubo una emisión repentina de CO₂, que inundó los valles alrededor del lago y mató a 1.800 personas de los pueblos aledaños. No hay razón para esperar que el CO₂ secuestrado en un antiguo yacimiento se escape repentinamente, pero existe la posibilidad de una fuga más lenta. Irónicamente, los pozos mismos representan un peligro potencial.

Puede haber cientos de dichos pozos en un yacimiento. Si el yacimiento es antiguo el cemento alrededor del entubado del pozo podría estar deteriorado. Esto puede suministrar una vía de escape para el CO₂. Existen maneras de volver a cementar los pozos para que brinden un sellado confiable para el CO₂ secuestrado.

Otra posible vía de fuga del CO₂ sería a través de las fisuras en la capa de la roca. Se sugiere el secuestro de CO₂ en las regiones que son geológicamente estables, donde no exista la posibilidad de que ocurran terremotos. Sin embargo, el secuestro del CO₂ en sí mismo podría resultar en un aumento de presión debajo de la capa de la roca que podría provocar fisuras. La solución consiste en controlar la presión y cuidar de no exceder los límites de la formación.

Depósitos acuíferos

Existen muchas “trampas” geológicas subterráneas selladas que jamás contuvieron gas o petróleo. Sus poros están llenos de agua. Se llaman depósitos acuíferos. Son los más adecuados para almacenar CO₂ profundamente bajo tierra. Están llenos de agua salada, de modo que no son adecuados para suministrar o almacenar agua potable para consumo humano. El CO₂ parcialmente se disolvería en el agua en el depósito acuífero. En algunos tipos de rocas, podría reaccionar con minerales para formar depósitos carbónicos estables. Esto encerraría permanentemente al CO₂. Se necesitan realizar estudios geológicos como los que se realizan rutinariamente para las reservas de petróleo y gas natural, para confirmar que el depósito acuífero no dejará fugar el CO₂.

El primer programa de inyección de CO₂ del mundo realizado para las consideraciones del cambio climático está fuera de Noruega en un depósito acuífero salino profundo en el Mar del Norte conocido como yacimiento Sleipner.

Lechos de carbón

Otro medio de almacenamiento potencial son los depósitos de carbón que son demasiado profundos para ser minados. El carbón es casi carbono. Absorberá el CO₂ y lo mantendrá encerrado permanentemente. Los depósitos de carbón habitualmente contienen metano. Cuando se bombea CO₂ en el carbón se absorbe en lugar del metano que se libera. Al igual que con la Recuperación Mejorada del Petróleo, se produce combustible útil al secuestrar el CO₂.

El problema que presenta este enfoque es que el carbón se expande cuando absorbe el CO₂. Esto puede provocar una reducción de las vías a través de las cuales fluye el gas. El resultado es una capacidad de almacenamiento más limitada.

Estudios de caso de captura y almacenamiento

Actualmente se están desarrollando dos proyectos de captura y almacenamiento de CO₂ en el yacimiento Sleipner en el Mar del Norte y en el yacimiento Weyburn en Canadá.