Captura y uso del CO2: un análisis estratégico, técnico y económico

Vicente Cortes, presidente de Inerco y catedrático de Ingeniería Química y Ambiental de la Universidad de Sevilla.

La captura y uso del CO₂ (CUC) consiste en la separación de CO₂ de una corriente de gases (e incluso del aire) para emplear el CO₂ capturado en un proceso de conversión que origine un producto con valor comercial. Éste puede reemplazar a un producto análogo o a otros con prestaciones similares fabricados actualmente a partir de carbono de origen fósil.

¿Qué es la Captura y Uso del CO₂ y qué papel juega en el proceso de descarbonización?

La contribución de la CUC a la mitigación del cambio climático es relativamente modesta por tres razones:

1. Las nuevas cantidades a utilizar en diferentes escenarios no son elevadas (0,2Gt/a en productos químicos y 2Gt/a en combustibles), alrededor del 5% de las emisiones mundiales.
2. Una parte de los productos que pueden ser obtenidos no da origen a una retención del CO₂ durante largos periodos de tiempo.
3. Los procesos de transformación del CO₂ capturado requieren grandes cantidades de energía de forma directa y/o mediante el empleo de hidrógeno. Esta energía debe ser mayoritariamente renovable, pues en caso contrario el balance de carbono puede ser desfavorable.

Pero la CUC es una alternativa estratégica muy atractiva para reducir las necesidades de materias primas y combustibles fósiles en una economía circular (reutilización una y otra vez de los átomos de carbono) contribuyendo a la seguridad de suministro en la UE y a la reducción de impactos ambientales de diversa índole.

Y de forma no menos importante, la CUC (y la captura y almacenamiento -CAC-) constituye una herramienta de descarbonización efectiva sin necesidad de cambios profundos en las tecnologías de las industrias que emiten CO₂ como parte integral de sus procesos, como cemento y acero, entre otras.

La CUC es una vía muy interesante para incorporar energía eléctrica renovable al flujo global de combustibles y productos químicos. Los procesos “Power-to-X”, donde X puede ser metano, metanol, combustibles líquidos sintéticos o químicos intermedios necesitan CO₂, además de hidrógeno. No obstante, el transporte relativamente sencillo de estos productos a grandes distancias permitiría que desde el Golfo Pérsico, por ejemplo, con elevado potencial solar y disponibilidad de CO₂ muy puro a bajo coste (de la producción de gas natural), se abasteciesen mercados de combustibles en la Unión Europea, por ejemplo.

¿En qué consiste la cadena de valor de la Captura y Uso del CO₂?

Lo que se denomina la cadena de valor de la CUC (Figura 2) parte de una fuente de CO₂ con elevadas concentraciones (lo que evidentemente no se da en el aire atmosférico) y reducidos niveles de impurezas. Es relevante si el CO₂ es de origen fósil o renovable (biomasa) pues ello influye en el balance global de carbono del proceso.

A continuación, el CO₂ capturado y depurado tiene que ser transportado para su conversión en una instalación cuya proximidad es importante para tener menor consumo de energía y de costes.  Sin almacenamiento de CO₂ intermedio, la operación de las plantas de captura y conversión estará estrechamente vinculada.

La conversión en productos químicos y combustibles requiere energía y normalmente hidrógeno verde por electrolisis, que conviene sea producido in situ. La electricidad debe ser renovable y su suministro muy estable, lo que puede requerir almacenamiento de electricidad o de hidrógeno. La planta de conversión necesita electricidad, calor y materiales, como catalizadores. A veces el producto de una planta de conversión es procesado en otra planta para dar origen a otros productos derivados.

Resulta evidente que el objetivo debe ser incorporar fuentes renovables a toda la cadena de valor para conseguir una huella de carbono global lo más reducida posible.

La conversión de CO₂ en productos químicos y combustibles supone un cambio tecnológico profundo para la industria química y petroquímica con procesos que en muy pocos casos están en estado comercial, con costes de inversión y operación no competitivos aún, y para los que el precio del CO₂ y sobre todo el de la electricidad para producir hidrógeno son absolutamente determinantes.

¿Qué productos se pueden obtener?

Hay más de 40 productos derivados del CO₂ y más de 70 posibles rutas para su obtención, que se han compilado en esta herramienta elaborada dentro de la iniciativa Carbonnext de la UE)  con niveles de desarrollo desde tecnologías emergentes hasta procesos productivos operando a escala industrial (caso de la urea).Se pueden fabricar productos a partir de CO₂ por vías biológicas, químicas y de mineralización. En base a su empleo tenemos combustibles, productos químicos intermedios, productos con aplicación dual como químicos o combustibles y materiales sólidos (Figura 4).

Los productos de mayor potencial y que por consiguiente constituyen una prioridad para su desarrollo e implementación a escala industrial a medio plazo (2030) son:

• Metanol: Utilizado como combustible y en pilas de combustible. Es un “building block” de un amplio portfolio de productos químicos y combustibles.
• Combustibles líquidos (e-fuels) y gaseosos (metano): la opción más atractiva de uso de CO₂ dada la magnitud de su mercado. Las primeras unidades de demostración previstas (en España, en el Puerto de Bilbao) ayudarán a avanzar rápidamente por la curva de aprendizaje con la consiguiente reducción de costes. (Figura 5)
• Policarbonatos y policarbamatos: procesos menos intensivos en energía que los anteriores, pero con menor capacidad para incorporar CO₂ (menos de 0,5t/t)
• Carbonatos inorgánicos y materiales de construcción: que resultan en un almacenamiento permanente del CO₂.

Como se ha señalado, los procesos de conversión para generar productos químicos y combustibles son intensivos en energía, particularmente eléctrica renovable para producir hidrógeno. Ello supone CAPEX y OPEX elevados que dificultan a día de hoy la competitividad de las vías CUC. La reducción de costes de electrolizadores, el desarrollo de tecnologías alternativas y la reducción drástica del precio de la electricidad resultan ser factores indispensables para esta competitividad.

¿En qué actividades industriales se puede realizar la captura de CO₂?

Dado que, globalmente hablando, la demanda de CO₂ es limitada en comparación con la oferta potencial, la selección debe priorizar fuentes que generen caudales de emisión acordes a los requerimientos del proceso de conversión, con altas concentraciones de CO₂, menor impacto medioambiental y costes más reducidos del proceso de captura. Y ello teniendo en cuenta la necesidad del transporte desde la instalación de captura hasta la de conversión. De seguir estos criterios será posible aplicar tecnologías de captura relativamente maduras, para las que no obstante aún hay margen de mejora

El procesado de gas natural en origen para su comercialización, la fabricación de hidrógeno por la vía convencional de reformado con vapor del metano, la obtención de amoníaco y la fabricación de etanol por fermentación, entre otros procesos, proporcionan corrientes que contienen más del 96% en volumen de CO₂, por lo que deberían ser la primera opción en función de disponibilidad.

Hay un conjunto de procesos industriales (acerías, fabricación de cemento, combustión en refinerías y en ciclos combinados de gas natural) en los que las concentraciones de CO₂ son menores. Pero para ellos, la captura (en algunos casos mediante tecnologías específicas en desarrollo en su mayoría) jugarán un papel trascendental para contribuir a la descarbonización de la actividad.

Mención aparte por su interés merece la captura de CO₂ de la combustión de biomasa, sin olvidar la opción de gasificación para producir gas de síntesis (mezclas de CO, CO₂ e hidrógeno). La naturaleza renovable del carbono contenido e incorporado a los productos (e-fuels por ejemplo) permite balances de carbono muy favorables con emisiones netas prácticamente cero en el empleo, en el caso de que sea combustión.

En resumen, la CUC es una opción de gran interés estratégico para descarbonizar, entre otros, la producción de combustibles para el transporte y la fabricación de intermediarios petroquímicos que posteriormente dan origen a una miríada de productos. Es preciso recorrer un camino de desarrollo tecnológico para hacer competitivas las rutas y es necesario que la regulación comunitaria y española propicie un marco favorable para su despliegue en un marco de neutralidad tecnológica. Pero el potencial y las capacidades son evidentes para contribuir a las estrategias de descarbonización a largo plazo.