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Almacenamiento geológico de carbono: el patito feo de la descarbonización

Por Víctor Vilarrasa (CSIC)*

Ahora que aprieta el calor, no puedo dejar de pensar en el cambio climático. Los registros nos indican que aumenta el número de olas de calor, de noches tropicales y de episodios de gota fría o DANAs –depresiones aisladas en los niveles altos de la atmósfera que provocan fuertes tormentas–. Para mitigar estos y otros efectos del cambio climático, debemos conseguir un balance neto de emisiones de dióxido de carbono (CO2) igual o menor que cero en un futuro cercano. Es decir, la cantidad de CO2 que emitamos a la atmósfera tendrá que ser igual o inferior al CO2 que extraigamos de ella. En España, con unas emisiones de gases de efecto invernadero de 334 millones de toneladas equivalentes de CO2 en 2018, todavía nos queda un largo camino para conseguirlo. Aunque las hemos disminuido un 25% con respecto a 2005, siguen siendo un 15% mayores que las de 1990, año que se toma como referencia para cuantificar las reducciones en las emisiones.

Planta de almacenamiento de carbono. / Pexels

Planta de almacenamiento de carbono. / Pexels

Descarbonizar la economía

El primer paso para la neutralidad de carbono consiste en descarbonizar todos los sectores de la economía. El sector que emite más CO2 es el energético, ya que en la actualidad el 85% de la energía que consumimos se genera a partir de hidrocarburos. Las grandes petroleras y empresas energéticas se están comprometiendo a lograr el balance neto de emisiones de CO2 igual a cero en 2050. Esta transición implica basar la producción de energía en fuentes renovables; mayoritariamente las energías solar, eólica e hidroeléctrica, pero complementadas por la geotérmica, la mareomotriz (que aprovecha las mareas) y la undimotriz (que se obtiene del movimiento de las olas). También se plantea sustituir los hidrocarburos por biomasa en la producción de electricidad, dado que el carbono que se emitiría al quemarla sería el mismo que habrían capturado previamente las plantas. Igualmente, la energía nuclear, que no tiene emisiones de CO2 asociadas, seguirá formando parte del mix energético con gran probabilidad.

Esta transformación es más compleja que instalar una capacidad de producción igual a la demanda, dado que las fluctuaciones que se producen en la mayoría de las fuentes de energías renovables (luz solar, viento, caudal hidrológico, etc.) requieren la capacidad de almacenar cantidades ingentes de energía para compensar los déficits de producción con los excedentes. Cómo almacenar esta energía no es trivial, dado que las baterías no tienen suficiente capacidad y la producción de combustibles sin carbono para su uso posterior, como el hidrógeno, conlleva una eficiencia bastante baja. A pesar de estos retos, se considera que la descarbonización del sector energético es viable.

Al sector energético le siguen en emisiones de CO2 los sectores del transporte e industrial. Para reducir sus emisiones, estos sectores se tendrán que electrificar, lo que aumentará la demanda del sector energético. No obstante, al contrario que el sector de la energía, estos sectores difícilmente se podrán descarbonizar por completo. En el sector del transporte, el transporte marítimo y, sobre todo, el aéreo no cuentan, por el momento, con combustibles alternativos a los actuales. Por otra parte, aunque el sector industrial se abastezca de energías renovables, seguirá emitiendo millones de toneladas de CO2, porque la fabricación de ciertos productos, como el cemento, el acero y el etanol, conlleva la emisión de CO2 por las reacciones químicas que tienen lugar en su proceso de producción. En algunos casos, la investigación, desarrollo e innovación (I+D+i) podrá permitir la descarbonización de alguno de estos procesos mediante procedimientos alternativos, como en el caso del acero, que en la actualidad es responsable del 8% de las emisiones de CO2 a escala global. Sin embargo, otros procesos industriales solo se podrán descarbonizar mediante la captura del CO2 antes de ser emitido a la atmósfera y su posterior almacenamiento geológico. En España, 16 millones de toneladas de CO2 al año (Mt/a) son emitidas por 23 industrias que, a largo plazo, solo se podrán descarbonizar con la captura y almacenamiento de CO2 (CCS, por sus siglas en inglés); y 53 Mt/a, por 38 plantas de producción de energía, en las que se podría aplicar CCS a corto plazo para acelerar la transición hacia la neutralidad de carbono.

Devolver el carbono al subsuelo

El almacenamiento geológico de carbono tiene como objetivo devolverlo a su lugar de origen: bajo tierra. Tecnológicamente, este procedimiento está probado con éxito con caudales de inyección de 1 Mt/a. El Panel Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC, por sus siglas en inglés) estima que la cantidad de CO2 almacenado en formaciones geológicas profundas debe aumentar de los 40 Mt/a actuales a 8.000 Mt/a en 2050. Esto implicaría tener unos 8.000 pozos inyectando 1 Mt/a de CO2. Puede parecer un número muy grande, pero es pequeño en comparación con los 8 millones de pozos que se han perforado para extraer gas y petróleo. No obstante, multiplicar por 200 el almacenamiento de CO2 en 30 años es sin duda un gran reto que implica un aumento del CO2 almacenado del 6% anual.

Víctor Vilarrasa

Víctor Vilarrasa

El almacenamiento se realiza a profundidades mayores de 800 metros en acuíferos salinos o en yacimientos agotados de gas o petróleo. A medida que aumenta la profundidad, como el subsuelo está saturado, es decir, los poros de las rocas están llenos de agua, la presión del agua que llena estos poros aumenta de forma equivalente al peso de la columna de agua que hay por encima. De manera similar, la temperatura también aumenta con la profundidad una media de 30°C por kilómetro. A profundidades mayores de 800 metros, la presión y la temperatura son suficientemente elevadas para que el CO2 se encuentre en su estado supercrítico. A pesar de lo extraño que pueda parecer el nombre de este estado, lo que nos indica es que el CO2 tiene propiedades tanto de un gas como de un líquido. Por un lado, su viscosidad es como la de un gas, es decir, muy baja, por lo que va a poder fluir con facilidad. Por otro, su densidad es como la de un líquido, es decir, elevada, y, por lo tanto, su almacenamiento va a ser eficiente porque ocupará un volumen relativamente pequeño. A pesar de presentar una densidad elevada, el CO2 es más ligero que el agua, por lo que tiende a flotar. Por este motivo, se necesita la presencia de una roca impermeable ubicada encima de la formación almacén, que se conoce como roca sello y que impide que el CO2 vuelva a la superficie. La formación almacén, al contrario que la roca sello, se caracteriza por una alta permeabilidad y porosidad, para albergar grandes cantidades de CO2 sin generar sobrepresiones elevadas.

Las posibilidades del CO2 almacenado

Socialmente, el almacenamiento geológico de carbono no acaba de estar bien aceptado, al menos en algunos países. Existe el efecto NIMBY (no en mi jardín trasero, por sus siglas en inglés), por el que se puede llegar a rechazar el desarrollo de proyectos de este tipo en ciertas zonas. Una posible solución es el almacenamiento en alta mar, como sucede en Noruega, donde llevan 25 años inyectando CO2 con éxito en acuíferos marinos, lo que convierte al país nórdico en líder mundial en almacenamiento de este gas. La manera en que esta tecnología es vista por la sociedad también puede mejorar cuando se aplica al CO2 que se genera en la combustión de biomasa para producir electricidad, ya que de esta forma conseguimos extraer CO2 de la atmósfera, en lo que se conoce como BECCS (por sus siglas en inglés).

Otra estrategia que puede ayudar a mejorar la imagen del almacenamiento geológico de carbono es utilizar el CO2 inyectado de alguna forma, para darle valor y que el proceso no se limite a deshacerse de un residuo. La opción más viable consiste en utilizar el CO2 inyectado para producir energía geotérmica, dado que, por sus propiedades, es un fluido mucho más eficiente que el agua en la extracción del calor de las profundidades de la Tierra. El CO2 inyectado se calienta cuando entra en contacto con la roca almacén, por lo que, si se extrae, se puede aprovechar la alta temperatura que ha adquirido para producir electricidad. Este ciclo es muy eficiente porque apenas se requiere energía para bombear el CO2: como tiende a flotar, sube hasta la superficie por sí solo. El CO2, una vez enfriado después de aprovechar la energía geotérmica, puede reinyectarse junto con más CO2 para su almacenamiento geológico. De esta forma, se reduciría la cantidad de CO2 en la atmósfera y se generaría energía limpia.

El tratamiento del CO2 debe seguir una evolución similar a la que ha tenido la gestión de nuestros residuos domésticos. Antiguamente se desechaban en cualquier parte, que es lo que hacemos ahora con el CO2. Posteriormente se recogían y se llevaban a vertederos, que es lo que se está empezando a hacer con el almacenamiento geológico de carbono. En la actualidad, reciclamos la mayoría de nuestros residuos y solo una fracción pequeña va a parar a los vertederos. En un futuro próximo deberemos hacer lo mismo con el CO2: almacenarlo y utilizarlo para conseguir que el balance neto de emisiones sea cero y así podamos mitigar los efectos del cambio climático.

 

* Víctor Vilarrasa es investigador del Instituto de Diagnóstico Ambiental y Estudios del Agua (IDAEA-CSIC) y del Instituto Mediterráneo de Estudios Avanzados (IMEDEA, CSIC-UIB). Actualmente dirige un proyecto del European Research Council (ERC) para conseguir que los recursos de la Tierra contribuyan a la descarbonización.

¿Qué sabemos del cambio climático? Respuestas científicas a 5 preguntas frecuentes

Por Armand Hernández (CSIC)*

Aunque ha habido muchos cambios climáticos a lo largo de la historia de nuestro planeta, sabemos que ahora la Tierra se está calentando a un ritmo sin precedentes.  Ya no hay duda de que el cambio climático actual es un hecho reconocido por la ciencia. Sin embargo, la sociedad sigue haciéndose preguntas al respecto. En este post respondemos a algunas de las más frecuentes.

¿Cómo sabemos que el clima está cambiando?

 Los registros instrumentales a nivel global nos muestran que estamos experimentando las temperaturas más altas desde que se empezaron a medir hace algunos siglos. Diecisiete de los dieciocho años más cálidos desde que existen registros instrumentales se han producido durante el siglo XXI. Además, las observaciones indirectas de registros naturales como el hielo de los casquetes polares, las estalagmitas, los anillos de los árboles, los corales y los sedimentos marinos y lacustres sugieren que este calentamiento no tiene precedentes en los últimos cientos de miles de años.

Gráfica calentamiento

Temperaturas globales anuales entre 1850 y 2017. La escala de colores representa el cambio en las temperaturas en un rango de 1.35°C. / Autor: Ed Hawkins (University of Cambridge). Datos: HadCRUT4 (Climatic Research Unit-University of East Anglia y Hadley Centre-Met Office).

¿Qué está causando el cambio climático actual?

La fuente principal de la energía que consumimos en la actualidad proviene de combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y el gas, que producen emisiones de gases de efecto invernadero.

Cuando la comunidad científica trata de reproducir el calentamiento global actual con modelos climáticos, solo se obtienen resultados satisfactorios si se tienen en cuenta las concentraciones de gases de efecto invernadero procedentes, principalmente, de la quema de combustibles fósiles. De esta manera, se descarta que esta tendencia sea causada sólo por procesos naturales.

¿Qué va a pasar?

Con el aumento de la temperatura global, podemos esperar cambios más rápidos y de mayor magnitud en el medio ambiente, con diversas implicaciones para las diferentes regiones del planeta.

El deshielo en los polos, así como la expansión del agua debido a las mayores temperaturas, provocarán un aumento del nivel del mar, que se prevé que alcanzará más de 1 metro a finales del siglo XXI. Esto es muy importante, ya que la mayor parte de la población mundial vive en zonas costeras.

También se espera que los fenómenos climáticos extremos se hagan más frecuentes, duraderos, intensos y devastadores. Una consecuencia de todos estos cambios podría ser un aumento de los movimientos migratorios y la generación de una inestabilidad geopolítica creciente.

¿Cuánto tiempo tenemos hasta que el cambio climático sea irreversible?

Es casi imposible saber cuánto tiempo nos queda para que el cambio climático sea irreversible. En realidad, algunos de los impactos causados por el cambio climático ya no tienen vuelta atrás, mientras que otros se reducirían si se detuvieran de inmediato las emisiones de gases de efecto invernadero de origen humano.

Según el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático de las Naciones Unidas (IPCC, siglas en inglés), deberíamos reducir a la mitad las emisiones de dióxido de carbono para el año 2030 y alcanzar el “cero neto” para el año 2050, para así poder mantener el calentamiento global en 1,5 °C a finales del siglo XXI.

Esto es importante, ya que mantener el aumento de la temperatura global por debajo de 2°C es vital para reducir los impactos asociados a los efectos de larga duración, como la pérdida de algunos de los ecosistemas más sensibles (los arrecifes coralinos, por ejemplo) o la capacidad de cultivar ciertos alimentos básicos, como el arroz, el maíz o el trigo.

Estas y otras preguntas, así como sus respuestas, las puedes encontrar en el audiovisual “Climate Change: the FAQs” elaborado por un grupo de científicos/as internacionales (entre los que se encuentran dos integrantes del CSIC) para resolver las dudas planteadas por estudiantes de secundaria y bachillerato.

¿Qué están haciendo las instituciones al respecto?

A menudo se hace hincapié en que los pequeños cambios, como por ejemplo el uso del transporte público o la bicicleta, pueden ayudar a reducir las emisiones de CO2. Sin embargo, para que estas acciones sean suficientes, deben ir acompañadas de cambios drásticos en los sistemas de producción y consumo promovidos por los gobiernos e instituciones a nivel internacional.

La Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (CMNUCC) es el principal acuerdo internacional sobre el clima. Entró en vigor en el año 1994 como medio de colaboración entre los países para limitar el aumento de la temperatura mundial y hacer frente a sus consecuencias.

Veinte años después, en el famoso Acuerdo de París 2015, y siguiendo las directrices del IPCC, se alcanzó un consenso político mundial para detener el incremento de temperaturas por debajo de los 2ºC respecto a los niveles preindustriales. En virtud de ese acuerdo, cada país decide su contribución a la mitigación del calentamiento global. Como no existe ningún mecanismo que obligue a un país a fijar o cumplir objetivos específicos en fechas concretas, el acuerdo tiene un impacto limitado.

A modo de ejemplo tenemos los resultados de la reciente Cumbre sobre la Acción Climática de las Naciones Unidas, en la que sólo 77 países se comprometieron a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero a “cero neto” para el año 2050. Además, únicamente 70 países anunciaron que impulsarán sus planes de acción nacionales para 2020 (en el marco del Acuerdo de París) o que han comenzado el proceso para hacerlos realidad.

Si es suficiente o no, sólo el futuro nos los dirá, pero de lo que no hay duda es que nos enfrentamos a un reto global sin precedentes.

 

* Armand Hernández (@armandherndz) es paleoclimatólogo e investigador en el Instituto de Ciencias de la Tierra Jaume Almera del CSIC.

Los biocombustibles pueden ser más nocivos que el petróleo

Por Joaquín Pérez Pariente (CSIC)*

Bajo las etiquetas ‘combustible ecológico’ y ‘diésel verde’ circulan por las ciudades del mundo occidental vehículos que utilizan como combustible sustancias obtenidas a partir de productos agrícolas. Son los denominados biocombustibles, en los que el prefijo ‘bio’ pretende resaltar sus bondades medioambientales. Sin embargo, la realidad es que los biocombustibles pueden llegar a ser incluso más nocivos que el petróleo por su emisión de gases de efecto invernadero, responsables del cambio climático que está experimentando nuestro planeta. La causa de ese daño medioambiental estriba en la forma en la que se obtienen.

Si somos rigurosos, recibe el nombre de biocombustible todo combustible de origen biológico. El más común es la madera, pero también son biocombustibles las grasas animales y los aceites vegetales que han servido para iluminar durante siglos nuestros hogares. Pero los que nos interesan son los que se utilizan hoy en día en vehículos de transporte, que son de dos tipos. Uno es el alcohol denominado etanol, el mismo que se encuentra en el vino o la cerveza, que se obtiene mediante fermentación de azúcares como los de la caña de azúcar, o los de los cereales, entre los cuales destaca el maíz. El segundo es el biodiesel, que se produce mediante una reacción química entre el alcohol denominado metanol y aceites vegetales. Aunque se pueden utilizar diferentes aceites como materia prima para fabricar el biodiesel, en la práctica en todo el mundo se elabora a partir de aceites de soja y palma y, en mucha menor medida, de colza, sobre todo en Europa.

Los defensores del empleo de biocombustibles líquidos como sustitutos de la gasolina y gasoil derivados del petróleo argumentan sus efectos beneficiosos de la siguiente manera. Las plantas de las que se extraen las materias primas necesarias para su elaboración absorben dióxido de carbono, el principal gas de efecto invernadero, durante su crecimiento. Cuando los biocombustibles se queman en un vehículo, se emite dióxido de carbono a la atmósfera. Pero eso no supone un problema, porque las plantas volverán a asimilarlo cuando crezcan de nuevo. Tendríamos así un ciclo cerrado de captura-emisión de ese gas, que por lo tanto no produciría ningún aumento de su concentración en la atmósfera.

 

Producción mundial de bioetanol y biodiesel en miles de barriles por día. En el caso del etanol, 100.000 barriles por día equivalen a 3 millones de toneladas de petróleo anuales, mientras que para el biodiesel equivalen a 4,9 millones. La cantidad total de biocombustibles producidos en 2016 equivalió a 86 millones de toneladas de petróleo.

Sin embargo, esa explicación tan simple oculta un conejo en la chistera, que salta fuera de ella en cuanto nos asomamos a su interior. Esas plantas productoras de biocombustibles no crecen precisamente en el desierto, sino que se cultivan en terrenos fértiles que previamente estaban cubiertos por selvas y sabanas. Esos grandes bosques tropicales y subtropicales se destruyen simplemente quemándolos, para sustituirlos por los cultivos destinados a la producción masiva de biocombustibles, como la soja y la palma. Esos gigantescos incendios, visibles desde los satélites que orbitan el planeta y en ocasiones objeto por ello de atención televisiva, liberan a la atmósfera enormes cantidades de dióxido de carbono: entre 200 y 300 toneladas por hectárea, entre 20.000 y 30.000 toneladas por cada kilómetro cuadrado. Así se deforestan cada año decenas de miles de kilómetros cuadrados, hasta tal punto que provocan unas emisiones de gases de efecto invernadero casi iguales a las provenientes de los vehículos que utilizan combustibles derivados del petróleo. Aunque los biocombustibles contribuyen todavía relativamente poco a esa deforestación global, su amenaza es tan grave que el Parlamento Europeo aprobó en el mes de abril de este año una resolución para eliminar el aceite de palma como fuente de biocombustibles para el año 2020.

Por si fuera poco, los agrocombustibles, como en realidad deberían denominarse los biocombustibles, compiten con la producción de alimentos porque, al igual que estos, necesitan terrenos fértiles donde cultivarse. Y se trata de una competencia desleal, porque si se quisiera sustituir con ellos solo una parte de los que provienen del petróleo, habría que producirlos en tal cantidad que toda la superficie de nuestro planeta no bastaría para ello. Ahí radica el verdadero problema, en que los terrenos cultivables ya escasean y no podemos permitirnos el lujo de malgastarlos en un mundo que no es capaz de alimentar decentemente a toda su población.

No hay ninguna duda de que es necesario buscar alternativas al uso del petróleo, pero los biocombustibles no son la respuesta.

 

Joaquín Pérez Pariente es investigador del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica del CSIC y es autor del libro Biocombustibles. Sus implicaciones energéticas, ambientales y sociales, editado por Fondo de Cultura Económica. La obra se presentará el día 19 en la librería Juan Rulfo (Madrid) a las 19:00 horas.

Sol que refrigera: el nuevo aire acondicionado

Por Mar Gulis (CSIC)

Con temperaturas exteriores que rondan los 40 grados y un Sol abrasador cuesta imaginar que esa fuente de energía pueda ser la misma que nos refrigere. Pero precisamente eso es lo que ha conseguido un equipo de investigación del Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja del CSIC, que ha creado varios prototipos capaces de enfriar un espacio variable, como una habitación o un barco, activados por energía solar térmica y que utilizan agua como refrigerante. Estos prototipos han sido desarrollados con el objetivo de sustituir los actuales sistemas de refrigeración, con un alto impacto en el calentamiento del planeta y en la capa de ozono.

En el sur de Europa hay alrededor de 40 millones de máquinas de climatización con una potencia inferior a 15 kW, un rango que suele utilizarse en una vivienda o un pequeño comercio. De estos 40 millones, ocho están en España. La mayoría de estos sistemas utilizan, de media, alrededor de 1,5 kilogramos de refrigerantes fluorados, gases que contribuyen al calentamiento global. La idea es que los actuales sistemas sean sustituidos al final de su vida útil por otros basados en refrigerantes naturales, como el agua.

Los protocolos impuestos a los sistemas de refrigeración exigen que cumplan con varios requisitos relacionados con el confort y la salud, entre los que se encuentran el control de la temperatura interior, de la humedad relativa y de la proliferación de la Legionella. Además, desde el Protocolo de Kioto y el Protocolo de Montreal, estos sistemas deben controlar las emisiones de gases de efecto invernadero y evitar la destrucción del ozono estratosférico.

Prototipo

Refrigeración solar: libre de Legionella, no destruye el ozono y apenas genera CO2. / Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC).

Las actuales máquinas suelen cumplir con los tres primeros requisitos pero no con el cuarto, ya que utilizan como fluido de trabajo un compuesto químico que contiene flúor. Estos fluidos son gases que tienen un índice de impacto unas 3.400 veces mayor que el CO2 en el calentamiento global en un horizonte temporal de 20 años, según el índice GWP. Además, estas máquinas, al usar la electricidad como fuente de energía, generan una emisión adicional de CO2. Algunos refrigerantes fluorados también contienen cloro, por lo que son responsables, en parte, de la destrucción de la capa de ozono.

La Unión Europea y otros organismos internacionales llevan alrededor de cuatro décadas intentando resolver estos problemas. Hasta la fecha no lo han conseguido. La estrategia consiste en sustituir los refrigerantes existentes por otros más respetuosos con la capa de ozono. Se han hecho avances en este sentido y se han conseguido propuestas que reducen la masa de refrigerantes fluorados. Sin embargo, estas fórmulas tienen en la mayoría de los casos una eficiencia menor, por lo que hacen necesario incrementar la emisión de CO2 durante su funcionamiento.

Instalación

Detalle de la instalación solar que activa el prototipo / Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC).

Según explica el investigador del CSIC y líder del proyecto del Instituto Torroja, Marcelo Izquierdo Millán, la tecnología desarrollada por el Consejo utiliza sal de bromuro de litio y agua. Las propiedades de esta mezcla para su uso en aire acondicionado ya eran conocidas a principios del siglo XX. No obstante, su aplicación comercial se ha retrasado ya que esta disolución suele producir la formación de cristales en ciertas condiciones. Precisamente, una de las innovaciones de la tecnología del CSIC es que ha logrado refrigerar sin que se produzca esta cristalización.

Los prototipos desarrollados por el Instituto Torroja son capaces de enfriar agua a entre 7 y 18 grados centígrados con temperaturas exteriores de entre 30 y 42 grados y pueden enfriar un espacio de unos 35-20 metros cuadrados a una temperatura constante de entre 24 y 26 grados. Además, su tamaño es similar al de un aire acondicionado actual: alrededor de un metro cúbico.

Estas máquinas podrían ser utilizadas como sistemas de refrigeración y calefacción con un rango de potencia de entre 10 y 20 kW en edificios, viviendas, autobuses, barcos, camiones etc., aprovechando la energía solar térmica y también el calor residual de los motores. Al final, el mismo calor que nos abrasa será la solución para un verano más fresco y, sobre todo, menos contaminante.