Energía sin CO2 un problema presente. Reducción de emisiones de CO2

Por Colaborador Invitado, el 18 diciembre, 2012. Categoría(s): Divulgación • Ecología

La concentración de CO2 de origen antropogénico está aumentando por la utilización intensiva de combustibles fósiles y como consecuencia se está produciendo un aumento de la temperatura media terrestre, lo que se conoce como Calentamiento Global.

La frase anterior, que no precisa más discusión tras las excelentes contribuciones de Txema Campillo, Ambrosio Liceaga y Jesús Rosino en la revista Amazings y en Naukas, es el punto de partida de este artículo en el que se pretende proporcionar información actual, contrastada y veraz sobre cómo reducir las emisiones de CO2 procedentes de actividades humanas.

El aumento de la concentración de CO2 es un dato medido, real y aceptado científicamente y está produciendo efectos negativos en nuestro entorno, y no solo a nivel global sino también en nuestro entorno más cercano.  Por este motivo, controlar y reducir las emisiones de CO2  debería suponer una prioridad para todos. Nuestros hábitos de consumo influyen notablemente sobre las emisiones de CO2, y por tanto cualquier aproximación a los métodos de reducción de emisiones de CO2 debería partir de un análisis de las fuentes de dichas emisiones. Dado que los combustibles fósiles son la causa directa de las emisiones de CO2 analicemos qué combustibles y en qué proporción estamos utilizando en la actualidad. Los datos más recientes de los que disponemos son del año 2011 y están disponibles en abierto en el documento: BP StatisticalReview of WorldEnergy 2012 (datos de 2011) accesible online

Como se puede ver en la figura 1, solo el 8% de la energía mundial y el 13.4% de la energía primaria consumida en España es de origen renovable. Estos números globalmente deben de ser considerados bajos, aunque cabe destacar que España está en unas condiciones de partida más favorables que la media mundial para alcanzar posiciones sostenibles y cumplir los objetivos fijados por la Unión Europea en la Estrategia Europea de Desarrollo sostenible (objetivo 20/20/20) que fija para 2020 los siguientes objetivos:

  • 20% de energía a partir de fuentes renovables
  • 20% de mejora de eficiencia energética
  • 20% de reducción de emisiones de CO2
Consumo de Energía primaria mundial y en España en función del tipo de fuente de energía (elaboración propia a partir de datos de BP)

Las tendencias en el consumo de energía primaria muestran un aumento sostenido en el tiempo. Según los datos mostrados en la figura 2, se puede afirmar que a pesar de que el petróleo es la fuente de energía más importante en cuanto a consumo su importancia (en %) ha disminuido significativamente y la contribución del carbón a este reparto es la más importante desde 1969.

Consumo de energía primaria en el mundo (1986-2011), BP Statisticalreview

Estas tendencias son asimismo corroboradas por los informes de la Agencia Internacional de la Energía (IEA worldenergy Outlook 2011), que además prevé para los próximos años un reparto muy similar del mix energético (figura 3), en el que destaca el aumento de la importancia del carbón. El carbón se le atribuye casi el 50% del aumento del  consumo de energía gobal en la época pasada.

Histórico y previsiones de consumo de energía primaria en el mundo (IEA, WorldEnergy Outlook 2011)

Los datos mostrados en las figuras 1-3 son claros. A pesar de la importancia creciente de las energías renovables y la biomasa es necesario adoptar medidas de mitigación de las emisiones de CO2 procedentes de combustibles fósiles para combatir, al menos en parte, el aumento de emisiones que van a producirse en los próximos años.

Ya sabemos que los combustibles fósiles generan CO2 y que en los próximos años va a aumentar el consumo de combustibles fósiles. ¿Pero en qué sectores? Este hecho es fundamental pues en función del punto de emisión de CO2, de su localización y de su concentración las medidas que se pueden aplicar son diferentes.

En la Figura 4 se muestran las emisiones mundiales de CO2 en 2010 en función del sector de producción

. Emisiones globales de CO2 por sector (2010). En otros se incluyen: servicios públicos/comerciales, agricultura, pesca, industrias energéticas distintas de las de generación de electricidad y calor y otras emisiones no especificadas.

Es importante remarcar que casi dos terceras partes de las emisiones de CO2 se producen en los procesos de generación de electricidad y calor junto con el sector transporte. También es importante señalar que si bien las emisiones de CO2 procedentes de las empresas energéticas están localizadas en un punto concreto, las emisiones procedentes del sector transporte (que además en su mayor parte se corresponden con transporte por carretera) son difusas y ambos casos requieren soluciones diferentes y adaptadas a sus propias características. Esto hace que la solución para la reducción de emisiones de CO2 no sea única sino que requiera la cooperación de diversas actuaciones y de apuestas políticas, económicas y sociales en diversos ámbitos, potenciando por supuesto las energías renovables pero siendo conscientes de la situación de partida y previsible evolución de los próximos años.

En el caso específico de España, el consumo final de energía (íntimamente relacionado con las emisiones de CO2) es el siguiente. Cabe destacar el elevado consumo energético asociado al sector transporte.

. Consumos de energía final en España 2008 (IDAE)

Una vez analizados los datos es importante recordar que las actuaciones para reducir las emisiones de CO2 deben adecuarse a los puntos de emisión. También tenemos que tener en cuenta que el caso del transporte requiere soluciones diferentes y que este tema tiene interés suficiente como para tratarlo de manera separada en otro artículo, proporcionando aquí solo los datos más generales.

Teniendo esto en mente las actuaciones pueden agruparse en seis grandes bloques:

  1. Ahorro y eficiencia energética
  2. Cambio de combustible
  3. Energía nuclear
  4. Energías renovables
  5. Agricultura y silvicultura
  6. Captura y almacenamiento de CO2 (CAC, en inglés CCS)

Antes de continuar, permitidme presentar una aproximación que propusieron en 2004 Pacala y Socolow (Pacala, Socolow, Stabilization wedges: solving the climate problem for the next 50 years with current technologies, Science, 305, 968-972, 2004) y que adaptó posteriormente la revista NationalGeographic en su número de Noviembre de 2007. En este trabajo se proponen una serie de medidas (que pertenecen a los bloques anteriores) para reducir, o al menos estabilizar, la concentración de CO2 esperada en el año 2054. La principal característica de este artículo es que cuantifica el esfuerzo que supondría alcanzar la estabilización. En concreto propone 16 medidas distintas para reducir con cada una de ellas 1Gt de carbono y cualquier combinación de 7 de ellas supondría mantener la concentración actual de CO2 en 2054. A estas actuaciones se las conoce como “cuñas de estabilización”.

1. AHORRO Y EFICIENCIA ENERGÉTICA

Aplicable a la producción de electricidad, calor y energía para transporte

Es evidente que si consumimos menos energía emitimos menos CO2. Además de mediante ahorro energético directo (apagar la luz cuando no la necesitemos) es posible disminuir el consumo de energía aumentando la eficiencia del proceso. Un ejemplo claro es el del rendimiento de las centrales térmicas de carbón.

Desde finales del siglo XIX la eficacia de las centrales de carbón no ha dejado de subir. La eficacia media de las centrales actuales es del 36% en los países de la OCDE (esto significa que sólo el 36% de la energía contenida en cada tonelada de carbón se convierte en electricidad) y en los países no pertenecientes a la OCDE es del 20%. Centrales térmicas de carbón con un 36% de eficacia emiten aproximadamente 0.9 toneladas de CO2/MWhe(eléctrico). Por otra parte las centrales más modernas tienen ya eficacias superiores al 45%, lo que implica emisiones inferiores a 0.7 toneladas CO2/MWhe. El objetivo es desarrollar tecnologías que permitan alcanzar eficacias del 60% en 2020.

Cuñas propuestas por Pacala y Socolow en el campo del ahorro y la eficiencia energética
Opción Esfuerzo para 2054
CT eficientes duplicar la energía producida en centrales térmicas de carbón pasando de un 40 a un 60% de eficiencia
Edificios eficientes Aumentar la eficiencia un 25% en calefacción, refrigeración, iluminación y electrodomésticos
Vehículos eficientes Disminuir el consumo de los coches de 8 a 3.5 L/100 km
Desplazamientos eficientes Reducir a la mitad los desplazamientos de 2000 millones de vehículos (viajes largos en transportes públicos, duplicar la ocupación de los vehículos)

Hay que destacar también que la Estrategia Europea de Desarrollo Sostenible tiene el objetivo de aumentar un 20% la eficiencia energética en el año 2020.2.

2. CAMBIO DE COMBUSTIBLE

Aplicable a la producción de electricidad, calor y energía para transporte

No todos los combustibles generan la misma cantidad de CO2 durante la combustión y ni siquiera depende del poder calorífico de los mismos. En ese sentido el carbón es el combustible que genera más CO2 y el gas natural el combustible de origen fósil que menos CO2genera (aproximadamente la mitad de CO2 que el carbón por MWh térmico). Así pues la sustitución de centrales térmicas de carbón por centrales de gas (o lo que es lo mismo construir CT de gas cuando se vayan a jubilar las de carbón) produciría una disminución de las emisiones globales de CO2. La opción para reducir las emisiones de las CT de carbón pasa por la utilización de biomasa como combustible adicional (lo que se conoce como co-combustión). La biomasa es un combustible renovable y por tanto se considera que tiene emisiones de CO2 netas nulas, o lo que es lo mismo, que el CO2 que se emite al quemar biomasa es equivalente al CO2 previamente fijado por esa biomasa durante su crecimiento.  Si se utilizan cantidades de biomasa relativamente pequeñas la CT no requiere modificaciones.

Por otra parte la biomasa es la única energía renovable que puede producir directamente combustibles para el transporte.

Cuñas propuestas por Pacala y Socolow en el campo del cambio de combustible
Opción Esfuerzo para 2054
Cambio combustible Aumentar por 4 la capacidad actual de generación en CT de gas natural

3. ENERGÍA NUCLEAR

Aplicable a la producción de electricidad

Podemos discutir mucho sobre si energía nuclear sí o no. Lo que es cierto es que no emite CO2. Por tanto una opción para disminuir las emisiones de CO2 es aumentar la presencia de energía nuclear en el reparto energético.

Cuñas propuestas por Pacala y Socolow en el campo delaenergía nuclear
Opción Esfuerzo para 2054
Energía nuclear Duplicar la potencia instalada (700 GW)

4. ENERGÍAS RENOVABLES

Aplicable a la producción de electricidad, calor y energía para transporte

Las energías renovables son la meta a la que nos dirigimos. Pero es una meta que se parece más a las de la maratón que a las de los 100 m lisos. Y una cosa que tenemos que tener en cuenta a la hora de considerar las energías renovables para la producción de electricidad, es que, debido a la intermitencia de las energías renovables y a que no se dispone de sistemas eficientes de almacenamiento de energía eléctrica a gran escala, es preciso disponer de tecnologías de respaldo que sean capaces de asegurar la demanda en ausencia de sol o viento. Por esta misma razón no se pueden poner “todos los huevos” en la cesta de la energía eólica o en la energía solar, es necesario diversificar para asegurar un suministro los más sostenido posible.

Cuñas propuestas por Pacala y Socolow en el campo del ahorro y la eficiencia energética
Opción Esfuerzo para 2054
Eólica Multiplicar por 50 la capacidad actual de generación eólica (2000 GW). Ocuparían 30 Mha
H2 a partir de eólica Multiplicar por 100 la capacidad actual y producir H2 (almacenamiento de energía y pilas de combustible)
Fotovoltaica Multiplicar por 700 la capacidad actual (2000 GW). Ocuparía 2 Mha
Biocombustibles Multiplicar por 100 la capacidad de producción de etanol de Brasil o USA (unas 250 Mha, aprox. 1/6 de la superficie cultivable mundial)
  Multiplicar por 50 la capacidad de producción de biocombustibles de segunda generación

Recordemos que la Estrategia Europea de Desarrollo Sostenible tiene el objetivo de aumentar hasta el 20% la contribución de las energías renovables en el año 2020.

5. AGRICULTURA Y SILVICULTURA

En este apartado poco hay que añadir a lo que el sentido común nos dicta. Realizar una buena gestión de los bosques y recursos naturales del planeta es vital para mantener el equilibrio en el mismo.

Cuñas propuestas por Pacala y Socolow en el campo de la agricultura y silvicultura
Opción Esfuerzo para 2054
Reducir deforestación Detener la deforestación tropical y duplicar la tasa de repoblación anual (300 Mha)
Conservación Extender la agricultura de conservación a todos los cultivos
  Potenciar los sumideros naturales de carbono

6. CAPTURA Y ALMACENAMIENTO DE CO2 (CAC, EN INGLÉS CCS POR CARBON CAPTURE AND STORAGE)

Aplicable a la producción de electricidad y calor (principalmente)

La captura y almacenamiento de CO2 es una de las opciones que el Panel Intergubernamental del Cambio Climático (www.ipcc.ch) considera como viables para la mitigación de emisiones de CO2 en el sector energético, tras la elaboración de un completo informe especial sobre CCS publicado en 2005 (SRCCS) (https://docs.google.com/file/d/0B1gFp6Ioo3akWFVURndxRU5xU1E/edit?pli=1).

El informe completo de evaluación del cambio climático (4ª versión, 2007), así como la parte de mitigación de cambio climático pueden consultarse online de forma gratuita (http://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/wg3/en/ch4s4-3-6.html). La parte que nos interesa aquí es el capítulo 4, dedicado a la energía, 72 páginas de información muy interesante…

Ya en el resumen ejecutivo pone algo que se ha mencionado anteriormente, no hay una solución única:

“There is no single economic technical solution to reduceGHG emissions from the energy sector.”

Además en el SRCCS se concluye que la utilización de los métodos de CAC adicionalmente a otras medidas podrían reducir significativamente los costes de alcanzar la estabilización de la concentración de CO2 atmosférica y aumentarían la flexibilidad para alcanzar dicha reducción.

La idea que subyace tras las tecnologías de captura y almacenamiento de CO2 es sencilla: Separar el CO2 de los gases de combustión, comprimirlo, transportarlo y almacenarlo de forma estable. Como casi todas las ideas sencillas detrás hay mucho más trabajo, tecnología e investigación de lo imaginable.

Estos sistemas resultan especialmente interesantes para grandes instalaciones. Sin embargo,  implantar estos sistemas tiene una penalización energética, es decir, consumen energía por lo que se debe utilizar más cantidad de combustible (lo que implica que las emisiones potenciales de CO2 son mayores) que en el caso de no aplicar estos sistemas. La separación de CO2 de las corrientes de combustión obedece a una razón económica. Los costes de compresión, transporte y almacenamiento son elevados (sobre todo el transporte) y por tanto no resulta rentable trabajar con los gases de salida, que típicamente contienen 10-15% CO2 sino que es necesario separar el CO2 del N2 mayoritario.

A esta etapa es a la que se denomina captura. En realidad, esta es solamente una de las alternativas generalmente aceptadas para captura de CO2 la que se conoce como postcombustión, puesto que el CO2 se separa después de producirse la combustión del combustible. Existen tecnologías que permiten llevar a cabo esta separación y además se están utilizando a nivel industrial, si bien es cierto que en la actualidad se están utilizando sistemas basados en la absorción con aminas que son sistemas bastante caros. En España existen diversos proyectos en marcha que están evaluando la viabilidad técnica (a escala de 1 MW, en plantas térmicas reales) de la captura de CO2 mediante ciclos de carbonatación-calcinación, una de las alternativas que parecen más atractivas para el medio plazo y que consisten en la utilización del óxido de calcio para capturar CO2 mediante su transformación en carbonato (http://www.incar.csic.es/co2_lineas)

Un aspecto a tener en cuenta es que si se aplica combinado con biomasa (por ejemplo co-combustión de biomasa y carbón) puede dar lugar a reducción neta de CO2 en la atmósfera.

El otro punto clave en los sistemas CAC es el almacenamiento. Existen diversos proyectos a escala industrial que están almacenando CO2 con éxito desde 1996. El caso más representativo es el del proyecto Sleipner en el mar del Norte. Asociado a un yacimiento de gas natural con un contenido en CO2 que es necesario eliminar, se lleva a cabo un proceso de captura y almacenamiento geológico de CO2.

La empresa Statoil está inyectando 1 MtCO2/año desde 1996 en un acuífero a más de 800 m de profundidad que permanece continuamente monitorizado y no se han detectado fugas desde entonces.

Cuñas propuestas por Pacala y Socolowsobre CAC
Opción Esfuerzo para 2054
Captura en CT Introducir CAC en 800GW de CT de carbón o 1600 GW de CT de gas natural
  Introducir CAC en plantas que produzcan 250 Mt H2/año a partir de carbón o 500 Mt H2/año a partir de gas natural
  Introducir CAC en plantas de combustibles sintéticos que produzcan 30 Mbarriles/día a partir de carbón (x200 Sasol)
Almacenamiento geológico 3500 Sleipner

En el campo del almacenamiento el reto que nos queda en España es identificar los sitios más adecuados para llevar a cabo un almacenamiento geológico profundo y poder así disminuir los costes asociados a transporte.

Conclusión.

La lucha contra el calentamiento global es un problema que nos concierte a todos como sociedad y en el que no hay un superhéroe que nos vaya a sacar del problema. Ni las renovables ni la nuclear van a hacer a medio plazo que disminuya nuestra dependencia de los combustibles fósiles así que es necesario aplicar sistemas de captura y almacenamiento de CO2 para ser capaces de controlar el aumento de temperatura media en nuestro planeta, sistemas que tienen costes moderados y que pueden incluso dar lugar a una reducción neta de emisiones de CO2.

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Este artículo participa en la II Edición de los Premios Tesla de divulgación científica y nos lo envía Teresa Valdés-Solís, científica, divulgadora y Vicedirectora del INCAR (Instituto Nacional del Carbón).

Definiciones

Energía primaria: la contenida en los combustibles antes de transformarlos para obtener energía final. Energía primaria =Energía final + pérdidas en transformación + pérdidas en transporte

Mtep: millones de toneladas equivalentes de petróleo. La tep es una unidad de medida de energía, que se define como la cantidad de energía liberada al quemar una tonelada de petróleo (41.866 GJ). Estas unidades se utilizanhabitualmente para la comparación de diferentes combustibles.



Por Colaborador Invitado, publicado el 18 diciembre, 2012
Categoría(s): Divulgación • Ecología