Captura de carbono

¿Cómo? En este artículo de AtlantHy Academy, te lo contamos.

Introducción

Desde hace años se ha puesto el foco en la eliminación de dióxido de carbono de nuestras vidas, empresas, actividades económicas y de la sociedad en general. Esto se debe a que lleva asociadas connotaciones negativas al ser el principal artífice del cambio climático por las más de 37 mil millones de toneladas que a nivel global generamos los seres humanos y que acaban en la atmósfera.

Debido a los efectos adversos que tiene el cambio climático en la sociedad, se deberá ser neutros en emisiones de carbono para el año 2050, marcándose este horizonte temporal ya que es el escenario que permitiría limitar la subida de las temperaturas a 1.5 ºC por encima de los niveles preindustriales y así evitar las terribles consecuencias del Cambio Climático, como describió en 2018 el IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change).

Dicho esto, se podría pensar: ¿Por qué una neutralidad de carbono y no una eliminación completa de las emisiones de CO₂? Esta pregunta tiene una fácil respuesta, y es que, aunque se conciba al dióxido de carbono como un problema, puede ser también fundamental en la consecución de los objetivos climáticos, ya que, al contener al carbono en su estructura, abre un abanico de posibilidades en los denominados sectores difíciles de abatir. Estos son aquellos en los que la descarbonización mediante electrificación directa con energía renovable no es viable técnica o económicamente y, por ello, es necesario optar por combustibles y materias primas renovables, las cuales se producirán, en gran medida, a partir de la combinación de hidrógeno con dióxido de carbono.

En este caso, se podrían obtener combustibles como el keroseno sintético o el metanol para descarbonizar la aviación o el transporte marítimo, así como la producción de numerosos productos químicos (metanol a olefinas, metanol a formaldehído…) en la industria, logrando descarbonizar tanto el transporte como la producción de compuestos químicos ampliamente utilizados en nuestra vida diaria. Todo esto generando además ingresos importantes para los emisores de CO₂.

Pensando en la magnitud de las industrias conocidas como difíciles de abatir, así como de sus demandas energéticas y de materias primas, se puede concluir que para descarbonizarnos y ser neutros en carbono, se requerirá de CO₂ en grandes cantidades, tanto para eliminar emisiones intrínsecas como para producir combustibles reciclados o renovables que reduzcan la intensidad de carbono del transporte y de la industria.

Afortunadamente, la captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS), que hace referencia a un conjunto de tecnologías que implican la captura, el almacenamiento y la fijación de CO₂ se lleva utilizando desde hace mucho tiempo, por lo que puede ser implementada de una forma rápida para ayudar a la industria a alcanzar sus objetivos.

Esta captura se puede realizar no sólo en focos emisores, como la generación de energía o las instalaciones industriales que utilizan combustibles fósiles o biomasa, sino también para capturar el CO₂ que se encuentra en la atmósfera. En este último caso, debido a que la concentración de CO₂ es muy inferior a los casos en que se realiza el proceso en focos emisores, los costes se encarecen, relegando la tecnología DAC (Direct Air Capture) a proyectos piloto por el momento.

Las esperanzas puestas en estas tecnologías para la eliminación y captura de carbono son enormes, esperándose que hasta el 10 % de la reducción de emisiones desde 2021 hasta 2050 venga dado por la aplicación de las tecnologías de CCUS. Una vez capturado, el CO₂ se podría emplear como materia prima en un sinfín de aplicaciones, como se puede ver en el siguiente diagrama (Mertens, 2023).

Ilustración 1 Cadena de valor del dióxido de carbono. Adaptado de: (Mertens, 2023).

Actualmente, existen aproximadamente 45 instalaciones comerciales que aplican el CCUS a procesos industriales, transformación de combustibles y generación de energía, con una capacidad total anual de captura de casi 50 Mt de CO₂. Además, existen alrededor de 700 proyectos en diversas fases de desarrollo en toda la cadena de valor del CCUS, esperando capturar más de 435 Mt de CO₂ al año.

Ilustración 2 Descenso en las emisiones esperado en las próximas décadas y tecnología responsable (International Energy Agency, 2023).

La mayoría de los focos de emisión de dióxido de carbono industriales son fuentes que generan grandes flujos de gases de escape en los cuales la concentración del CO₂ es baja debido a la presencia principalmente de nitrógeno procedente del aire necesario para que se produzca la combustión (Tabla 1).

Tabla 1 Características típicas de CO₂ en los gases de escape de diferentes unidades y procesos (Wang, 2020).

Debido a que tanto la demanda energética (que se traduce en un OPEX) como las dimensiones y, por tanto, las necesidades de inversión (CAPEX) de los equipos de captura de CO₂, incrementan con la disminución de la concentración de CO₂, interesa realizar la captura en corrientes muy concentradas a fin de simplificar el proceso y reducir los costes, pues a mayor concentración, más sencillo es el proceso de captura y más competitivos son los costes. La siguiente imagen, de la IEA, relaciona la concentración de las diversas fuentes para la captura de CO₂ con el coste de captura en las mismas, reflejándose claramente cómo los costes se vuelven mucho más competitivos para procesos en los cuales la concentración del dióxido de carbono es elevada.

Ilustración 3 Valores estimados del coste de captura de CO₂ para diferentes concentraciones del dióxido de carbono en el gas de escape. Adaptado de (IEA, 2022).

En la actualidad, se siguen varias vías tecnológicas para la separación y captura de CO₂. Estas tecnologías difieren unas de otras en función de la ubicación de la etapa de captura de carbono, ya que puede realizarse antes o después del proceso de combustión, y atendiendo al oxidante empleado.

Ilustración 4 Planta de captura de carbono de AVR en Duiven (AVR, 2024)

De esta forma, los principales tipos de captura de carbono son:

• Postcombustión: la separación del CO₂ de los gases se realiza tras el proceso de combustión. Debido a que la combustión emplea aire como oxidante, estos gases presentan una presión parcial del CO₂ baja (0,03-0,2 bar) y/o una concentración de CO₂ baja (3-20% vol) (Wang, 2020). Algunas de las principales tecnologías consideradas dentro de esta categoría son:
  • Captura mediante absorción química: se produce una reacción química del CO₂ con un determinado compuesto para su posterior desorción en un proceso opuesto en el cual se requiere un aporte de energía generalmente en forma de energía térmica. Este tipo de sistemas con disolventes químicos se llevan empleando en corrientes de gases industriales desde los años 1930 en el procesamiento de gas natural. Las principales tecnologías en este ámbito son las aminas o los carbonatos, siendo las primeras las más utilizadas.

Estos procesos absorben CO₂ a bajas temperaturas y lo liberan a altas temperaturas, logrando una captura del 80-95% con una pureza del 99.95%. Para el proceso, se requiere de equipos como las torres de absorción y desorción.

Ilustración 5 Diagrama de proceso de un sistema de captura de aminas (Elaboración propia).

• Captura mediante adsorción química (TSA) y física (PSA y VSA): Son procesos en los cuales se aprovechan fuerzas físicas y químicas para capturar a la molécula de CO₂ de una corriente de gases para posteriormente anular los efectos de esa fuerza y así poder liberar la molécula en condiciones de pureza elevadas. Estas tecnologías se aplican en gases con elevada concentración (Global CCS Institute, 2021). El proceso de adsorción mediante unidades PSA (Pressure Swing Adsorption) es hoy en día el más utilizado para separar el CO₂ del hidrógeno en los reformadores de metano con vapor.

Ilustración 6 Unidades PSA de Linde para la captura de H₂ y CO₂ en Alemania (Linde, 2024).

• Membranas: ampliamente utilizadas en las plantas con concentraciones altas, las membranas son una barrera o un medio que puede separar diferentes compuestos en una mezcla gaseosa basándose en su diferente capacidad para permear. Este tipo de separación emplea la presión parcial como la fuerza impulsora del proceso y está favorecida si se alimenta la mezcla de gases a elevada presión (Global CCS Institute, 2021).

Ilustración 7 Esquema de una membrana empleada para captura de gases. Adaptado de (SLB, 2023).

• Criogenia: La captura criogénica de dióxido de carbono consiste en la separación física aprovechando diferencias en los puntos de ebullición y en las propiedades de desublimación de los componentes de la mezcla gaseosa. Además, puede estar acoplada a un proceso de preconcentración de la alimentación basado en PSA (Font-Palma, 2021). Este método da como producto un CO₂ con alto grado de pureza (industrial o alimentario) y en estado líquido, lo que es una gran ventaja con respecto a los sistemas con aminas ya que no es necesaria la instalación de una planta de licuefacción en caso de querer transportar el CO₂ en fase líquida.

Ilustración 8 Esquema del proceso de criogenia+PSA (elaboración propia)

• Lazos químicos: tecnología de captura emergente similar a la oxicombustión, pues producen una corriente de CO₂ concentrada, lo que hace que no se necesite la separación del dióxido de carbono del combustible (como ocurre con la precombustión) o del gas de escape (como ocurre en la postcombustión) y que está siendo ampliamente estudiada para ser acoplada en la producción de cemento (Wang, 2020).
• Precombustión: tecnología muy interesante cuando lo que se busca es capturar o valorizar el CO₂, pues permite diseñar los procesos desde el principio para facilitar la captura de esta molécula. En esta tecnología, se captura el CO₂ antes del proceso de combustión y está orientada a procesos en los cuales se produce syngas (gas de síntesis) a partir de gasificación de combustibles (carbón, gas, biomasa) o reformado de gas natural. De esta forma, el gas de síntesis (CO + H₂ + CO₂) se somete a una etapa de desplazamiento con vapor de agua (WGS), convirtiendo el monóxido de carbono a más hidrógeno y CO₂. Esto aumenta la concentración del dióxido de carbono en la corriente de gases, lo que permite separarlo de forma sencilla del hidrógeno (Wang, 2020).
• Oxicombustión: esta tecnología se puede considerar una ligera variante de la captura postcombustión. Esta alternativa se presenta como una solución al principal problema de la captura postcombustión, la presencia de grandes cantidades de nitrógeno (aproximadamente el 80-90 % de los gases de salida son nitrógeno, ya que entra con el oxígeno en la mezcla de aire). De esta manera, como el nitrógeno es totalmente inerte y no aporta nada al sistema de combustión, su presencia afecta negativamente al proceso de captura, dificultándola y disminuyendo su competitividad económica. Por ello, una solución podría ser la oxicombustión, en donde se emplearía oxígeno puro para o bien enriquecer el aire de entrada a las cámaras de combustión, o como único aporte de oxidante. Esta alternativa reduce el volumen de gases de escape a tratar, lo que deriva en un aumento de la concentración del CO₂ y reduce tanto los costes de captura como las dimensiones de los sistemas de tratamiento de gas de escape, ya que permite emplear unidades de menor tamaño aguas abajo del proceso de combustión (Wang, 2020). La oxicombustión está ganando gran interés últimamente sobre todo por la posibilidad de poder utilizar el oxígeno generado en la electrólisis y que normalmente se ventea a la atmósfera, aunque implica ciertos desafíos para los tecnólogos de calderas y fabricantes de hornos industriales, por lo que en la actualidad hay poca oferta en el mercado para realizar este tipo de combustión en instalaciones industriales

Todas estas tecnologías, suponen costes elevados de inversión, pero nada desdeñables son los costes operativos de plantas que necesitan de consumos eléctricos, pero también en algunos casos (absorción química) de grandes consumos térmicos, lo que eleva los costes a la larga.

Ilustración 9 Tecnologías de post, oxi y precombustión respectivamente (Vatenfall)

Como se ha comentado, existen múltiples tecnologías y cada una ofrece diferentes ventajas e inconvenientes, por lo que la selección del proceso más adecuado a cada caso particular dependerá sensiblemente de las condiciones de la planta en donde se plantea la captura y de otros aspectos de gran relevancia como:

• Madurez tecnológica.
• Integración con las instalaciones actuales.
• Consumidor final del CO₂.
• Financiación pública.

Madurez de las tecnologías

Siempre que hay un cambio de tendencia en cualquier ámbito, hay cierto respeto al empleo de tecnologías emergentes o a tecnologías probadas en otros sectores pero que no han sido contrastadas en nuevas aplicaciones. De esta manera, uno de los principales factores que puede influenciar la tecnología escogida es el riesgo tecnológico, siendo en este aspecto tanto las aminas como la PSA las tecnologías más probadas a escala comercial. Sin embargo, los industriales están cada vez más animados a probar otras tecnologías emergentes como la oxicombustión o la criogenia por las sinergias que presentan y su potencial, ya que permitirían aumentar la competitividad del mercado de la captura de carbono.

Instalaciones existentes

Debido a que gran parte de los proyectos de captura se instalarán en plantas ya existentes (papeleras, cementeras, petroquímicas, plantas de biomasa o similares), es necesario contrastar la compatibilidad de la implantación del sistema de captura con el proceso actual, pues en numerosas ocasiones la solución óptima para la captura entra en conflicto con la actividad industrial que se realiza en la actualidad. Por este motivo, se deberá llegar a una solución de compromiso entre la solución óptima para la captura y la solución que permite compatibilizar la instalación de captura y el proceso industrial. Entre los factores que pueden ser claves para determinar la solución realista para una planta de captura acoplada a un proceso existente se encuentran:

• El espacio disponible.
• Las alturas máximas permitidas.
• Los procesos y equipos en los cuales se genera el CO₂, que en muchas ocasiones necesitarían de grandes modificaciones para poder aplicar alguna de las tecnologías comentadas.

Por otro lado, también es crítico el hecho de analizar las posibles sinergias entre las plantas de captura y los procesos existentes, pues los procesos de captura en aplicaciones de postcombustión basados en disolventes requieren de un aporte de energía térmica que podría ser cubierto con calor residual de la planta actual (siempre y cuando su calidad sea adecuada para su aporte como energía en la captura), reduciendo los gastos operacionales en la captura al ahorrar energía y aumentando la competitividad económica del CO₂ capturado.

Ilustración 10 Equipos de intercambio de calor en una planta de captura de CO2 en Soria (imagen propia)

Consumidor final del CO₂

Una vez capturado el CO₂, se deberá transportar hasta el consumidor final en unas ciertas condiciones y con una cierta pureza. De esta manera, se deberá tener en cuenta el uso final del CO₂ en el diseño de la planta de captura, asegurando que la tecnología elegida asegura que la calidad del CO₂ cumple los requisitos del uso final y, en caso de que sea necesario su transporte, se deberá asegurar que se cuentan con los equipos necesarios para acondicionar sus condiciones a las requeridas en el sistema de transporte seleccionado, bien sea licuado por barco o carretera, o por gaseoducto presurizado.

Por este motivo, puede interesar seleccionar una tecnología que aumente ligeramente los costes de captura pero que permita obtener ya el dióxido de carbono en unas condiciones más favorables para su uso final y/o su transporte hasta el consumidor, como es el caso de la captura criogénica, la cual en ciertos momentos puede competir con las aminas, dando a concentraciones bajas unos costes de captura más elevados. La gran ventaja de esta tecnología, por ejemplo, podría ser el hecho de que, a diferencia de un sistema de aminas, evitaría la necesidad de instalar una planta de licuefacción para el transporte internacional de la molécula, evitando costes aguas abajo referidos a la conversión del dióxido de carbono de fase gas a fase líquida.

Otro parámetro que influye sensiblemente en el consumidor final es la huella de carbono del dióxido de carbono, pues se debe examinar con lupa el CO₂ que llega al punto de consumo final (como puede ser una planta de combustibles sintéticos), ya que podría hacer que los combustibles renovables obtenidos dejasen de ser renovables al tener la materia prima empleada una elevada intensidad de carbono. De esta forma, se dejarían de considerar renovables los combustibles producidos si se cumplen las siguientes condiciones:

• El CO₂ proviene de una fuente de origen no biogénico: Siendo válido hasta 2035 todo el CO₂ capturado, retirándose en ese año el generado en la producción eléctrica y hasta 2041 el generado a partir de combustibles fósiles o en emisiones intrínsecas a los procesos industriales como la fabricación del cemento.
• El combustible final generado (RFNBO) no alcanza una reducción de emisiones del 70 % con respecto a una referencia de 94 gCO₂/MJ. En este apartado es fundamental entender que, la huella del CO₂ capturado, por el simple hecho de evitar su emisión a la atmósfera, no implica que sea neutral, pues para su captura se requiere de energía eléctrica y térmica que debe ser de origen renovable para no imputar emisiones de carbono al CO₂ capturado. En este tipo de proyectos, un CO₂ con una huella de carbono baja, nula, o incluso negativa, puede ser tan diferencial como para que un proyecto de RFNBOs salga adelante o no. Por ello, ser conscientes del comprador de dicha molécula es algo fundamental para la confección del proyecto.

Financiación pública

Este tipo de proyectos con grandes inversiones de capital asociadas, en los que las partes involucradas se comprometen por largos periodos de tiempo, la financiación pública puede permitir que se opte por una solución de mayor coste de inversión, pero con menores gastos operacionales. En este sentido, la administración no suele filtrar por tipo de tecnología, por lo que la concesión de la ayuda no estará fuertemente determinada por el sistema tecnológico elegido. Por el contrario, el OPEX de las tecnologías varía sensiblemente de un proceso a otro, siendo totalmente diferente los requerimientos energéticos de una planta de disolventes químicos a los de una de criogenia o de captura mediante oxicombustión. De este modo, el hecho de poder recibir una ayuda o no puede orientar al proyecto a elegir una solución de mayor inversión, pero de menor OPEX, lo que tendrá efectos positivos a largo plazo, siempre y cuando la tecnología elegida sea técnicamente viable.

Ilustración 11 Vista de una planta de captura industrial (imagen propia)

Conclusión

La industria de CCUS no es algo para nada nuevo, con gran parte de las tecnologías probadas ya a escala comercial y sin grandes complicaciones en la operación nominal. Por otro lado, existen otras tecnologías menos desarrolladas pero que presentan un mayor potencial para ser empleadas en los nuevos escenarios energéticos e industriales, dando lugar a un aumento de la competitividad del mercado de la captura de carbono. Sin embargo, es necesario que, en primer lugar, demuestren su viabilidad a escala comercial para poder implementarse a gran escala en la industria.

A pesar de que inicialmente la captura resulte un sector menos atractivo que, por ejemplo, el hidrógeno renovable, son tecnologías que estarán fuertemente ligadas, pues el dióxido de carbono es necesario para que el hidrógeno alcance todo su potencial en la producción de derivados, los cuales se emplearán finalmente para la descarbonización de sectores difíciles de abatir. Además, la captura no sólo complementa al hidrógeno renovable, si no que permite eliminar emisiones directamente del aire o emisiones intrínsecas de procesos como la producción de cemento, facilitando el cumplimiento de los objetivos de neutralidad marcados para 2050.

Como resultado de los objetivos climáticos marcados y del potencial de las tecnologías de CCUS, serán muchos los proyectos que se verán en el corto y medio plazo, y se establecerán rutas de transporte, comercio y almacenamiento de la molécula. Por lo tanto, es clave seguir conociéndola y explorar qué nuevas necesidades aparecerán a medida que avance en su desarrollo, pues ello hará permitirá que la sociedad esté preparada para tomar buenas decisiones basadas tanto en los cálculos como en el buen criterio.

Te recomendamos escuchar el Episodio 25 de nuestro podcast: CO2 e hidrógeno con Álvaro Reyes (Orchestra Scientific y Arcamo Group) para saber más sobre estas tecnologías.

En AtlantHy ayudamos a empresas a desarrollar proyectos de captura de carbono, teniendo ya experiencias exitosas para varios tamaños y tecnologías diferentes. Somos unos auténticos apasionados de esta tecnología.

¡No dudes en contactarnos para desarrollar tu proyecto!

Si te ha gustado este artículo, permanece atento para seguir aprendiendo en futuros artículos donde profundizaremos en consumos, costes de inversión, estrategias de combinación con plantas de RFNBOs... Síguenos en AtlantHy Academy!

Referencias

AirLiquide. (2023). Cryocap Carbon Capture Technologies.

AVR. (Agosto de 2024). First tons of CO2 captured from residual waste supplied to greenhouse horticulture. Obtenido de https://www.avr.nl/en/first-tons-of-co2-captured-from-residual-waste-supplied-to-greenhouse-horticulture/

Font-Palma, C. C. (2021). Review of Cryogenic Carbon Capture Innovations and Their Potential Applications. Journal of Carbon Research.

Global CCS Institute. (2021). Technology Readiness and Costs of CCS.

IEA. (2022). Direct Air Capture: A key technology for net zero.

International Energy Agency. (2023). Carbon capture, utilisation and storage. Obtenido de https://www.iea.org/fuels-and-technologies/carbon-capture-utilisation-and-storage

Linde. (Agosto de 2024). Adsorption-Based Carbon Capture and CO2 Recovery. Obtenido de https://www.linde-engineering.com/products-and-services/process-plants/adsorption-and-membrane-plants/adsorption-based-carbon-capture-and-co2-recovery

Mertens, J. B.-M. (2023). Carbon capture and utilization: More than hiding CO2 for some time. Joule.

Raganati, F. M. (2021). Adsorption of Carbon Dioxide for Post-combustion Capture: A Review. Energy & Fuels, 12.845 - 12.868.

SLB. (2023). Apura Gas Separation Membrane. Obtenido de https://www.slb.com/well-production/processing-and-separation/gas-treatment/apura-gas-separation-membrane

Vattenfall. (2008). Carbon Capture and Storage- Technology, costs and way forward.

Wang, X. &. (2020). Carbon Capture From Flue Gas and the Atmosphere: A Perspective. Frontiers in Energy Research.