19 febrero, 2025 3:41 pm

Captura y almacenamiento de CO2 para transición energética

México, al igual que la gran mayoría de los países del mundo, se ha comprometido a ajustar su política energética hasta reducir a cero neto sus emisiones de CO2 en el año 2050. En este artículo se muestran los límites para lograr esa reducción tan solo incrementado las energías llamadas limpias. Es indispensable intensificar los programas de ahorro de energía y de almacenamiento de energía solar, e incorporar soluciones adecuadas para capturar el CO2 en las chimeneas de algunas plantas que usan combustibles fósiles, para almacenarlos de por vida en el subsuelo.

Gerardo Hiriart L. Ingeniero naval mecánico con doctorado en Ingeniería. Miembro honorario y coordinador adjunto del Comité de Energía del Colegio de Ingenieros Civiles de México. Director general de GeoKeri.

Al día de hoy, la máxima demanda del sistema eléctrico nacional es de alrededor de 50,000 MW (o 50 GW), y esta ocurre entre las 6 de la tarde y la media noche (Hiriart, 2024). Para este análisis se toman los valores de las 9 de la noche con el fin de simplificar los cálculos, sin perder la idea central para mostrar la gravedad del problema: la máxima demanda ocurre cuando no hay sol.

En la figura 1 se observa que de estos 50 GWh/h, solo el 20%, esto es, 10 GW, proviene de energías limpias (viento 3.1, hidro 5.0, nuclear 1.5, geotérmica 0.5, biomasa 0.026; total, 10). En la figura se hace también el ejercicio de “estimar” la potencia máxima que podría instalarse de aquí al año 2050, cuando se pretende llevar a cero las emisiones netas. Se incluye un valor optimista máximo, uno razonable y uno pesimista (para muchos, muy realista).

Lo más importante de este análisis es resaltar que, por mucho que se impulsen las energías limpias, a lo más que se puede aspirar para el año 2050 es a tener los 10 GW actuales, más 30 GW adicionales. Es decir, apenas se llegaría al 40% de la potencia requerida (a las 9 de la noche) en el año 2050, la que anteriormente se calculaba como 100 GW a ese año.

Buscando cómo llegar al año 2050 generando 100 GW con cero emisiones netas, es importante resaltar que habrá que echar mano del almacenamiento de energía producida durante el día para inyectarla al sistema en la noche, y a la captura de CO2 para almacenarlo (o “secuestrarlo”, como se dice en inglés).

Análisis de posibilidades

Aumentando al máximo posible la generación con energías limpias, solo se llega a 40 GW. Aunque se esté totalmente a favor de que se incremente la generación con estas energías, principalmente la geotérmica que es constante, limpia y renovable, no hay que hacerse ilusiones de que con alguna de estas se va a resolver el problema de cero emisiones.

Ya se ha mostrado (Hiriart, 2024), aunque con cifras ligeramente diferentes a estas, que solo hay tres opciones para complementar ese faltante de 60 GW.

Mejorando todos los aspectos que tengan que ver con “bajar” el consumo de energía eléctrica en unos 20 GW: ahorro de energía, eficiencia energética, tarifas horarias, etc. Más adelante se hará referencia a la predicción de que el consumo de energía eléctrica crecería a un ritmo de 2.5% anual: la cifra va a ser mucho mayor cuando se incluya el uso masivo de transporte eléctrico y la electrificación de muchos procesos industriales que actualmente usan gas natural o carbón.

Almacenamiento: generando electricidad con energía solar durante el día y almacenándola para usarla después de la puesta de sol, durante casi toda la noche. Este almacenamiento se puede hacer con baterías o bien con embalses de rebombeo: durante el día se llena un embalse elevado mediante bombeo con energía solar y luego se usa en la noche como planta hidroeléctrica que genera energía limpia, despachable y sin usar minerales, que son cada vez más raros y caros. También se propone almacenar durante el día hidrógeno producido con energía solar y plantas de electrólisis, conocido como hidrógeno verde, para usarlo en la noche en plantas generadoras, ya sean celdas de hidrógeno o plantas de combustión con turbinas o reciprocantes.

Finalmente, una opción que está cobrando mucho auge es continuar con las máquinas actuales de ciclo Rankine, o combinado, pero capturando y almacenando (para siempre) este gas de efecto invernadero. Con esta estrategia se considera de manera muy preliminar que se podrían generar (a las 9 de la noche) alrededor de 20 GW o más.

Tecnologías para la captura-transporte-almacenamiento de CO2

En este artículo, la atención se concentra en la tecnología que en inglés se denomina carbon capture sequestration (CCS) y aquí se referirá como captura, transporte y almacenamiento de CO2 (CTA), consciente de que también existe la captura y conversión industrial de CO2, que no se incluye aquí (en la industria petrolera se defiende este proceso y se dice que el CO2 se utiliza para recuperación terciaria, es decir, inyectan CO2 al yacimiento, que finalmente se queda secuestrado abajo, para empujar el petróleo y aumentar la producción de los pozos para su posterior uso, quemándolo y emitiendo CO2 a la atmósfera).

Captura de CO2 y su transporte

Si se lograra capturar todo el CO2 que se emite por las chimeneas de las plantas termoeléctricas actuales y sepultarlo para siempre bajo el suelo, con justa razón podría afirmarse que deberíamos seguir con la tecnología actual (ciclo Rankine y ciclo combinado), que es muy económica y se sabe operarla muy bien; solo habría que agregar este nuevo sistema de captura, transporte y almacenamiento de CO2.

El sistema de captura actualmente se lleva a cabo (explicándolo de forma poco precisa, pero clara) haciendo pasar todos los gases por unas membranas con aminas que absorben el CO2. Una vez que las aminas se saturan, pasan a otra cámara donde se calientan y desprenden el CO2 casi puro, el cual se llevará a almacenar. Este proceso requiere una instalación cara y un alto consumo de calor para “secar” las aminas. Además, el proceso no es 100% eficiente y deja escapar una cantidad no despreciable de CO2 a la atmósfera.

El CO2 capturado se comprime a unas 1,000 psi, y aquí cambia a una fase supercrítica donde su densidad llega a ser de unos 500 kg/m3 ( la mitad de la del agua) y es transportado por kilómetros hasta su lugar de almacenamiento. Es claro que la distancia entre ambos puntos afecta enormemente al costo y tiene complicaciones de derechos de vía.

Almacenamiento del CO2

Los lugares ideales para sepultar el CO2 a presión (para que tenga alta densidad) son campos de gas abandonados; por el solo hecho de haber almacenado un gas por miles de años ya puede hablarse de su impermeabilidad –la que debe ser verificada, ya que los cientos de pozos que se perforaron para su explotación pueden representar una fuente importante de fuga a la atmósfera–. Otros sitios adecuados para almacenar el CO2 son domos salinos: la propia dilución de la sal en el agua hace que se formen enormes cavidades en el subsuelo, aptas para almacenar CO2.

En épocas recientes se han llevado a cabo con éxito algunos experimentos mediante los cuales en un campo geotérmico se inyecta CO2 con algo de agua caliente en roca basáltica y se le deja estático por meses hasta que se comienza a formar roca carbonatada. También se está experimentando con inyección en roca “peridotita”, buscando la transformación del CO2 en roca.

Costo de la CTA

Si se realizan los cálculos de todo un sistema para el ciclo CTA, se puede ver que es un proceso muy caro por varios componentes. El equipo que debe instalarse en las chimeneas para extraer el CO2 de la corriente de gases es muy voluminoso y caro. Luego, el secado

de las aminas para remover el CO2 consume una cantidad importante del calor de la propia central térmica, lo que afecta su eficiencia. Después, comprimir el CO2 a más de 1,000 libras para lograr su estado supercrítico consume bastante potencia. Finalmente, transportar ese gas por cientos de kilómetros, con estaciones de precompresión, es caro.

Los promotores de esta tecnología están buscando que en la creación del mercado de CO2 que se está organizando en el mundo se logre que a quien instale un sistema para evitar el envío de CO2 a la atmósfera se le pague por tonelada evitada. Números muy gruesos indican que si se pagan unos 100 dólares por tonelada de CO2 evitada, esto podría resultar rentable. También en números muy gruesos, 1 MWh emite cerca de 1 t de CO2, es decir, el precio de la energía eléctrica se duplicaría si se instala este sistema.

Otras opciones para lograr cero neto de emisiones

Hay empresas que se han instalado exactamente donde existen sitios apropiados para almacenar CO2 a presión en el subsuelo; por ejemplo, en la zona petrolera de Escocia, en Aberdeen. Allí, con un sistema parecido al de captura de CO en chimeneas, sacan el CO2 que contiene el aire (direct air capture, DAC) moviendo los ventiladores con energía solar y lo inyectan directamente a los pozos. Se ahorran todo el sistema de captura dentro de la central termoeléctrica y el correspondiente secado de las aminas, la compresión y el transporte desde el origen hasta el pozo final.

Si se juntara la empresa dueña de la planta termoeléctrica con esta de DAC que captura el CO2 de la atmósfera y lo sepulta, ambas pueden decir –si el balance está bien hecho– que son de cero emisiones netas a la atmósfera. Usted, apreciado lector, ¿cómo ve este negocio? ¿Es aceptable?

Hay muchos desarrolladores que están comprando miles de hectáreas de terrenos deforestados y reclaman que, al sembrar tantos miles de nuevos árboles, están capturando y almacenando un gran número de toneladas de CO2. Uniendo fuerzas con algún dueño de termoeléctrica, podrían proclamar cero emisiones netas.

Hidrógeno azul

La producción de hidrógeno azul para abatir emisiones es una técnica muy conocida en Pemex, y en general entre los fabricantes de hidrógeno (H2) a partir del gas natural (CH4): calentando el gas a muy alta temperatura (quemando CH4) se rompe la molécula y se obtiene H2 puro y CO2. Esto se conoce como “reformación”; es una manera económica de producir H2 para los procesos que se requieran, generalmente fabricación de fertilizantes, pero con una inmensa emisión de CO2 a la atmósfera. En este caso, es relativamente sencillo capturar ese CO2, que viene bastante concentrado, y llevarlo a la zona de inyección que esté cerca de la petroquímica. A este hidrógeno, que nació como CH4 y en el proceso de reformación se le capturó y almacenó el CO2, se le conoce como hidrógeno azul. Ahora, este H2 se puede usar en generación de electricidad, generalmente almacenándolo y usándolo solo en las horas de máxima demanda, ya sea en turbinas a gas, motores a combustión interna o en celdas de hidrógeno (pilas).

Posible aparición de tecnologías disruptivas

La tecnología avanza a gran velocidad y se puede esperar que en los próximos 25 años aparezcan algunas técnicas disruptivas que cambien las proporciones aquí planteadas. Solo por enumerar algunas, conviene observar con cuidado la evolución de la producción de hidrógeno verde; puede llegar el día en que este se obtenga directamente de la incidencia de la radiación solar en el agua de mar con algunas innovaciones extraordinarias.  La construcción de baterías, ámbito en el que actualmente predomina el uso de electrolitos a base de litio, se espera que evolucione a baterías más económicas y menos dependientes de materiales estratégicos, como las de sodio.

De la energía nuclear también se espera que en las próximas décadas aparezca la primera planta comercial de generación de energía eléctrica de fusión nuclear. Cuando esto ocurra, mucho después del año 2050, seguramente habrá cambios radicales en las tecnologías de generación de electricidad.

Conclusiones

En el sistema eléctrico nacional, la máxima demanda ocurre entre las 6 de la tarde y las 11 de la noche. Actualmente, esa demanda es de alrededor de 50 GWh/h –potencia efectiva.

La máxima demanda se satisface con un 20% de energías limpias (10 GWh/h), y el resto con plantas que no califican como limpias.

Para el año 2050, cuando el país tenga que cumplir el compromiso de bajar a cero neto las emisiones del sector eléctrico y la demanda haya aumentado a 100 GW, si se desarrollan a su máxima capacidad todas las energías limpias (hidro, nuclear, viento, geotérmica y biomasa) solo alcanzará para cubrir el 40% de la demanda.

Para satisfacer el 60% restante se tienen tres mecanismos: el principal es un programa intenso de ahorro de energía y de eficiencia energética; en segundo lugar, un gran programa de energía solar con almacenamiento (baterías, rebombeo, hidrógeno verde) para usar esa energía después del atardecer; finalmente, un programa de captura, transporte y almacenamiento de CO2 que permita seguir usando combustibles fósiles en plantas tradicionales, pero asociadas a un programa de captura y almacenamiento de CO2.

Las predicciones que se hacen actualmente de que seguirá creciendo el consumo eléctrico al 2.5% anual, y que la demanda en 2050 será de 100 GWh/h son demasiado optimistas. Este crecimiento puede ser mucho mayor si ya se tiene para esa fecha una conversión completa del transporte de gasolina a eléctrico, si la ilusión del nearshoring se convierte en realidad, si el sector industrial (cemento, acero, fertilizantes, etc.) cambia sus procesos térmicos a sistemas eléctricos y si, como parece ser, el uso de la inteligencia artificial crece exponencialmente y con eso arrastra a un mayor consumo de electricidad.

Referencias

Hiriart, G. (2024). Aspectos técnicos para alcanzar cero emisiones netas en 2050 en el sector eléctrico. Ingeniería Civil 650: 18-21.

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