Tecnología de captura de carbono:
Reducir los supercontaminantes para limitar el calentamiento global

Shan Daniel

El calentamiento global plantea una serie significativa de riesgos para los humanos en la Tierra. El planeta se está calentando debido al efecto invernadero, o gases en la atmósfera terrestre que atrapan la radiación de onda larga emitida por la superficie de la Tierra dentro de la atmósfera. El principal gas que contribuye a este efecto es el dióxido de carbono, que se emite durante la combustión de combustibles de hidrocarburos para obtener energía. Los posibles efectos negativos de las emisiones descontroladas y el calentamiento resultan en fenómenos meteorológicos extremos, pérdidas agrícolas e inundaciones de regiones costeras debido al derretimiento de los casquetes polares. Como resultado, cambiar la dependencia energética global a fuentes que mitiguen las consecuencias negativas del cambio climático es crítico y urgente. Esto se puede lograr reduciendo la dependencia global de los combustibles fósiles y otras sustancias emisoras de carbono y cambiando hacia energías renovables, como la solar, eólica, hidroeléctrica, maremotriz y nuclear, que no liberan CO2 durante su proceso (1).

Sin embargo, desde el inicio de la Revolución Industrial, las concentraciones atmosféricas de CO2 han aumentado de 280 ppm a 430 ppm, lo que equivale a 1.18 × 10^12  Toneladas métricas adicionales de CO2 en nuestra atmósfera. Dada la magnitud de este cambio, la eliminación del carbono emitido de la atmósfera y su almacenamiento de forma que elimine su efecto sobre el calentamiento global ha sido un tema de reciente interés para los climatólogos.

Los procesos actuales de secuestro de carbono se encargan de extraer aire del ambiente y concentrarlo para su almacenamiento (2). Esto se logra mediante cuatro reacciones: la reacción 1 implica pasar aire a través de una solución de hidróxido de potasio, donde el CO₂ puede reaccionar con agua para convertirse en ácido carbónico, que se somete a una neutralización ácido-base para generar carbonato de potasio y agua. La reacción 2 regenera el hidróxido de potasio mediante la reacción del carbonato de potasio con hidróxido de calcio para generar carbonato de calcio, insoluble en agua. En la reacción 2, el carbonato de calcio sólido se somete a descomposición térmica a temperaturas extremadamente altas para generar óxido de calcio y dióxido de carbono, que se emite en un entorno controlado donde puede almacenarse. Por último, la reacción 3 implica que el óxido de calcio regenera el hidróxido de calcio al disolverse en agua. Si bien las reacciones 4, 1 y 2 son exergónicas y favorables, la descomposición térmica del carbonato de calcio es altamente endotérmica y requiere un gran consumo de energía, lo que encarece y dificulta el mantenimiento del secuestro industrial de carbono (4). Se estima que el costo por tonelada métrica de CO3 eliminada del aire ambiente oscila entre 2 y 600 dólares. Utilizando únicamente las tecnologías actuales de secuestro de carbono, el costo de eliminar suficiente CO1000 para volver a los niveles preindustriales de CO2 atmosférico sería de 2 billones de dólares, o aproximadamente 708 veces el PIB de Estados Unidos en 25 (2023).

Esta metodología no es actualmente un método viable para impactar significativamente los niveles de CO2 en nuestra atmósfera. La innovación y la mejora tanto de la tercera reacción del proceso de secuestro de carbono como del almacenamiento/venta del CO2 producido pueden reducir el costo total de este proceso, permitiendo su implementación a mayor escala y un mayor impacto positivo general (4). La captura de metano, un supercontaminante perjudicial para la salud e impulsor del cambio climático, puede complementar las estrategias de secuestro de carbono al centrarse en los contaminantes climáticos de vida corta que ofrecen beneficios inmediatos para la salud y el clima. Sin embargo, con una mayor innovación para crear un proceso más rentable y la combinación con otras formas de energía renovable, el secuestro de carbono puede ser una herramienta importante para mitigar los efectos negativos del cambio climático.

Un método de base biológica que ha ganado cada vez más reconocimiento en los últimos años es la Agricultura Regenerativa (AR). Esta agricultura ofrece un enfoque agrícola más integrado y sostenible, centrándose en la restauración del suelo y el equilibrio ecológico a largo plazo (5). A diferencia de la agricultura convencional, que a menudo depende en gran medida del uso de fertilizantes químicos y pesticidas, la AR prioriza las prácticas tradicionales basadas en la naturaleza (6). Los cinco principios fundamentales en los que se basa la agricultura regenerativa para mejorar la salud del suelo son: minimizar la alteración del suelo, maximizar la diversidad de cultivos, mantener una cobertura vegetal continua, conservar las raíces vivas en el suelo durante todo el año e integrar la ganadería, como el ganado vacuno, en los sistemas agrícolas.

A pesar de ser uno de los enfoques más eficaces para la agricultura sostenible y el almacenamiento de carbono atmosférico, la AR enfrenta varias barreras para su implementación generalizada (7). Este enfoque requiere mucho tiempo y una gestión cuidadosa y constante. Los agricultores deben adoptar nuevas técnicas y profundizar su comprensión de la biología del suelo, las interacciones entre las plantas y las prácticas ecosistémicas para gestionar sus tierras eficazmente. Estos cambios suelen requerir capacitación técnica y un compromiso a largo plazo, lo cual no es viable para todas las comunidades agrícolas.

Sin embargo, si la RA se apoya en la implementación e integración consistentes de tecnologías modernas, como drones, sensores y robótica agrícola, tiene el potencial de convertirse en una de las estrategias más confiables a largo plazo para el almacenamiento de carbono (8). Estas tecnologías pueden mejorar la precisión y la eficiencia de las prácticas de gestión del suelo, facilitando el monitoreo de la salud del suelo, optimizando la rotación de cultivos y reduciendo las tareas que requieren mucha mano de obra. Por ejemplo, un estudio revela que el suelo tiene la capacidad de secuestrar hasta 3.4 gigatoneladas de carbono al año mediante prácticas agrícolas (9). Sin embargo, lograr esta escala de secuestro requeriría la plantación de aproximadamente 5.72 × 10¹¹ árboles al año.

El proceso de AR implica varios pasos biológicos y químicos interconectados que contribuyen al almacenamiento de carbono a largo plazo en los suelos. Comienza con el aumento del cultivo de árboles, cultivos y plantas, que desempeñan un papel fundamental en la captura de dióxido de carbono atmosférico (CO₂) mediante el proceso de fotosíntesis. Durante la fotosíntesis, las plantas convierten el CO₂ y el agua en glucosa (C₆H₁₂O₆) y oxígeno (O₂), siguiendo la reacción: 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂.

La glucosa producida no solo se utiliza para el crecimiento de las plantas, sino que también se exuda a través de las raíces hacia el suelo para sustentar las comunidades microbianas. Estos exudados radiculares estimulan la respiración y la actividad microbiana en la rizosfera, mejorando así el ciclo de nutrientes. Parte del carbono orgánico se estabiliza mediante un proceso llamado humificación, en el que los residuos microbianos y vegetales se transforman en sustancias húmicas complejas. Estas sustancias forman materia orgánica estable que puede permanecer en el suelo durante décadas, almacenando eficazmente el carbono en el suelo.

Si bien la agricultura regenerativa (AR) es un enfoque altamente sostenible, un progreso significativo mediante este método requiere una reducción simultánea de las emisiones antropogénicas de carbono. Un estudio indica que la cantidad anual de dióxido de carbono emitido por las actividades humanas supera la cantidad que puede secuestrarse mediante prácticas agrícolas regenerativas (presupuesto anual global). Por ejemplo, en 2023, se emitieron 36.8 gigatoneladas de CO2, en comparación con las 3.4 gigatoneladas de carbono secuestradas anualmente mediante la AR.

El hormigón es un material de construcción omnipresente; está presente en nuestras carreteras, aceras, edificios, puentes y túneles. De hecho, es la segunda sustancia más utilizada en el mundo, solo superada por el agua, y «se utiliza el doble de hormigón en la construcción que de todos los demás materiales de construcción juntos» (12). Actualmente, el mundo produce 30 13 millones de toneladas de hormigón al año, y la demanda mundial de hormigón no hace más que aumentar, sobre todo a medida que se acelera la industrialización en muchos países del Sur Global (XNUMX). Lamentablemente, el hormigón tiene un coste energético.

El cemento, un componente clave del hormigón, se crea mediante un proceso conocido como calcinación — una mezcla de piedra caliza y arcilla se calienta a temperaturas muy altas, lo que provoca una reacción química que produce dióxido de carbono (CO ₂ ) y cal (CaO). La cal se mezcla con más arcilla y se calienta de nuevo para formar cemento. Finalmente, este cemento reacciona con el agua para formar diversos productos de hidratación que endurecen y unen los agregados (principalmente arena, grava y roca triturada), formando lo que conocemos como hormigón.

Sin embargo, cuando se requiere un importante aporte de energía para calentar el cemento y el CO ₂  Si se tienen en cuenta ambos residuos liberados como subproducto durante la calcinación, se hace evidente que el hormigón tiene una huella de carbono bastante significativa. De hecho, una tonelada de cemento libera 0.85 toneladas de COXNUMX. ₂ La industria del hormigón produce entre el 4 % y el 8 % de las emisiones de carbono mundiales (14). Actualmente, ningún otro material de construcción puede igualar la versatilidad, el bajo coste y la facilidad de producción del hormigón, pero ¿existe alguna manera de reducir la huella de carbono del hormigón y, al mismo tiempo, reducir los costes de la industria?

Resulta que, a pesar de que emite dióxido de carbono durante el proceso de mezcla, el hormigón también absorbe carbono a través de una reacción química pasiva conocida como carbonatación por meteorizaciónDurante este proceso, el hidróxido de calcio (Ca(OH) ₂ , también conocido como portlandita), un subproducto de las reacciones de hidratación dentro del hormigón, reacciona con el dióxido de carbono en el aire para formar carbonato de calcio (CaCO ₃ , también conocida como calcita). Esta es una forma de secuestro de carbono: carbono del aire (CO ₂ ) queda “secuestrado” en forma mineral dentro de la estructura molecular del hormigón.

Sin embargo, como posible estrategia para mitigar el cambio climático y reducir la huella de carbono de la industria del hormigón, este proceso presenta varias desventajas. La primera es que se produce muy lentamente; una tonelada de hormigón absorbe hasta 0.9 kg de COXNUMX. ₂  por año mediante la carbonatación por meteorización, aunque ese valor depende en gran medida de las condiciones ambientales, como la humedad y la temperatura (13). Esto significa que la absorción de carbono que se produce durante la carbonatación por meteorización es mucho menor que el carbono emitido por la industria. La segunda desventaja es que, bajo una exposición prolongada al CO ₂ El gel de silicato de carbono hidratado (CSH), que ayuda a unir el hormigón, se descompone y este comienza a degradarse. Sin embargo, podemos utilizar las reacciones químicas básicas que ocurren durante la carbonatación por meteorización como modelo para diseñar una técnica de secuestro de carbono en el hormigón que sea rápida y activa, en lugar de lenta y pasiva.

Al parecer, la industria actualmente tiene two métodos. El primero se llama carbonatación mineral, y es esencialmente una "imitación acelerada de la meteorización de la roca" (13). La carbonatación mineral afecta a los compuestos aglutinantes; normalmente, el cemento simplemente se mezcla con agua para formar los productos de hidratación que unen los agregados del hormigón. Sin embargo, si el CO ₂  se disuelve en agua para formar ácido carbónico (H ₂ CO ₃ ), los iones hidronio del ácido descomponen los óxidos de silicato del cemento, liberando los iones de calcio y magnesio del cemento para formar carbonatos estables. Según un estudio, la carbonatación mineral comercial podría secuestrar hasta 3 Gt de carbono al año.

El segundo método se centra en el propio hormigón. El hormigón suele curarse después de su mezcla para asegurar reacciones de hidratación rápidas, lo que beneficia su durabilidad y resistencia a largo plazo. El vapor es el medio típico para el curado del hormigón, ya que permite altas temperaturas y humedades relativas (15), pero el CO ₂  También se puede utilizar con el mismo efecto. Este proceso, donde el CO ₂  El gas que se inyecta en el hormigón en edad temprana (es decir, como máximo unos días después de la mezcla) se conoce como curado por carbonatación. De manera similar a la carbonatación mineral, el curado por carbonatación implica la reacción de óxidos de silicato con agua y CO ₂  para formar CaCO ₃ .

Por supuesto, obtener CO puro ₂  El gas, así como el diseño y mantenimiento de las cámaras de reacción cerradas necesarias para el curado, supone un coste adicional para el fabricante. Sin embargo, es posible reducir estos costes sustituyendo los materiales aglutinantes y áridos tradicionales por alternativas recicladas para elaborar lo que en la industria se conoce como "hormigón verde". Por ejemplo, el cemento Portland, la opción típica para el componente de cemento del hormigón, puede sustituirse parcial o totalmente por cenizas volantes (un subproducto de la industria del carbón) o escoria de acero, ya que ambos contienen los óxidos necesarios para que se produzcan las reacciones de hidratación. Un estudio descubrió que sustituir el cemento Portland por una mezcla de cenizas volantes y cal condujo a una mezcla de hormigón con un grado de carbonatación del 78 %, en comparación con un grado de carbonatación del 32 % en la mezcla de control de cemento Portland (13).

Además, la grava y la roca triturada, las opciones típicas para los agregados gruesos, pueden reemplazarse con subproductos de demolición (ladrillos triturados, concreto, etc.). La carbonatación mineral también puede realizarse en estos agregados para aumentar su resistencia y durabilidad, así como su capacidad para secuestrar carbono. Finalmente, los agregados finos (típicamente arena) pueden reemplazarse con biocarbón, que tiene el beneficio adicional de ser un producto del secuestro de carbono en sí mismo (el biocarbón se forma a través de la quema de materia orgánica a temperaturas muy altas en un ambiente bajo en oxígeno, lo que lleva a la formación de estructuras de carbono estables). Algunos estudios han encontrado que el biocarbón puede acelerar las reacciones de hidratación durante el curado de carbonatación en edad temprana, lo que lleva a una mayor resistencia a la compresión (16). El biocarbón también es altamente poroso, lo que significa que tiene más sitios donde pueden ocurrir reacciones de carbonatación.

A diferencia de la captura y almacenamiento de carbono (CAC) o la agricultura regenerativa, el hormigón verde no requiere una transformación a gran escala de la industria existente ni la creación de una nueva; basta con incorporar subproductos reciclados a la mezcla del hormigón y utilizar tecnologías de curado por carbonatación en lugar de vapor. Los fabricantes de cemento cuentan actualmente con los medios para invertir en un futuro más adaptable al clima: uno en el que construyamos nuestras ciudades a partir del CO2 secuestrado. ₂ .