CCS Redux: la captura de carbono es cara porque la física – CleanTechnica

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La captura y el secuestro de carbono en todas sus diversas formas ineficaces, ineficientes y costosas están sufriendo otra fase del ciclo de exageraciones. Realmente nada ha cambiado. Los problemas todavía existen. Las alternativas son aún mejores. El potencial de uso es todavía minúsculo. Y así, la serie CCS Redux, que vuelve a publicar artículos antiguos de CCS con ediciones menores.

La captura y el secuestro de carbono son costosos porque tienen tres componentes, cada uno con sus propios desafíos costosos: captura, distribución y secuestro. La masa de CO2 producida es de 2 a 3 veces la masa de carbón o metano* quemado y es más difícil de transportar por unidad que el carbón, por lo que el costo de captura, distribución y secuestro suele ser un múltiplo del costo de hacer lo mismo con el carbón o el metano.

Que tan caro es

De acuerdo con un organización que promueve la captura y el secuestro de carbono, costará entre 120 y 140 dólares por tonelada de CO2. Esta voluntad add de $168 a $196 al costo de un MWh de generación con carbón. Eso equivale a entre 16.8 y 19.6 centavos por KWh, lo que coloca a las plantas de carbón existentes en un territorio increíblemente no rentable. Las plantas de generación de metano emiten menos CO2 por MWH, por lo que se agregarían entre 9.5 y aproximadamente 11 centavos por KWH a su costo base, generalmente en el rango de 5 a 7 centavos. Ninguna empresa de servicios públicos compraría la generación de carbón a entre 20 y 25 centavos por KWH al por mayor y la generación de metano a entre 15 y 18 centavos por KWH al por mayor.

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¿Cómo se captura el carbono?

Hay dos enfoques generales para la captura de carbono, cada uno de los cuales presenta desafíos diferentes.

Captura de carbono en origen de emisiones desvía las emisiones de escape de las plantas de generación de carbón y gas a través de una serie de catalizadores, sorbentes y otras tecnologías.

Las plantas de carbón en los países desarrollados ya cuentan con depuradores para azufre y filtros para particulado asuntos. Actualizar otro escalón sobre estos dos es otro complemento.

Los conductos de generación de carbón y metano originalmente tenían un diseño muy simple: el calor de las emisiones vencía la gravedad para que los humos fluyeran hacia arriba y hacia afuera. Con cada adición de filtración y depuración, se reduce esa capacidad de anular las emisiones con el calor residual. Ahora la electricidad se utiliza para hacer funcionar ventiladores que impulsan las emisiones a través de los distintos puntos de filtración. Eso cuesta dinero, o mejor dicho, se considera una carga de energía auxiliar en la estación de generación, y cada punto de energía auxiliar es dinero que no están ganando.

La captura de CO2 normalmente utiliza sorbentes, filtros cerámicos porosos que capturan el CO2 y dejan pasar el resto. Esperan que los gases dentro de un cierto rango de temperatura y un conjunto de componentes funcionen de manera efectiva. Lograr estas condiciones puede requerir enfriar aún más las emisiones u otro procesamiento. Ambos añaden costos.

Los absorbentes son efectivamente nanofiltros cerámicos. Se debe forzar el aire a través de ellos. Esto requiere ventiladores más grandes y más electricidad, lo que vuelve a aumentar los costes.

Más CO2 es emitido que el carbón o el gas. El CO2 se forma por una reacción química del carbono del combustible fósil con el oxígeno de la atmósfera. El oxígeno tiene una masa atómica de un cabello inferior a 16. El carbono tiene una masa atómica de un cabello superior a 12. Sumar dos átomos más pesados ​​a un átomo más ligero significa que aproximadamente 3.67 veces el peso del carbono en el carbón se emite como CO2. El carbón tiene aproximadamente un 51% de carbono, por lo que el CO2 pesa aproximadamente 1.87 veces el peso del carbón. La quema de metano (CH4) produce aproximadamente 2.75 veces el peso del CO2. Lo que esto significa es que el mecanismo para capturar y procesar el CO2 será potencialmente mayor en escala que el mecanismo para quemar carbón y gas en primer lugar. La energía necesaria para capturar una gran cantidad de CO2 no es trivial.

Normalmente, los sorbentes se dejan caer en un baño líquido caliente para liberar el CO2 capturado. Calentar el agua requiere energía y calentar agua requiere mucha energía. Hay mucho calor residual en las plantas de carbón y gas porque la mayor parte de la energía proveniente de la quema de carbón y gas se desperdicia en forma de calor, por lo que esto no es un problema tan grande, pero ese calor debe dirigirse al lugar correcto en las cantidades correctas. . Una vez más, más conductos, más procesamiento, más ventiladores y más controles. Más gasto.

El CO2 cuando se captura es un gas. Es muy difuso. Para poder almacenarlo es necesario comprimido o licuado. La compresión y la licuación mediante refrigeración son procesos que consumen mucha energía. Más gasto.

Por lo general, el CO2 debe almacenarse en el sitio en preparación para el envío. Dado que el peso del CO2 es 1.87 veces el peso del carbón y que el CO2 debe almacenarse en forma comprimida o licuada, esto requiere recipientes a presión muy grandes o recipientes a presión y aislados muy grandes. En comparación, el carbón se puede apilar en el suelo antes de su uso. Esto significa que el efluente requiere un gasto mucho mayor de almacenamiento y manipulación que la materia prima.

Captura de carbono en el aire ignora la fuente de las emisiones de carbono, y como una planta funciona con el CO2 ambiental en la atmósfera, en este momento hace poco más de 420 partes por millón (nota: 20 puntos más desde que este artículo se publicó por primera vez en . La captura de carbono en el aire evita algunos de los problemas, pero agrega otros.

• Al utilizar aire, se reducen sustancialmente las preocupaciones sobre la temperatura y los contaminantes que causan ineficiencias en el sorbente.
• 400 ppm es una concentración de CO2 en la atmósfera mucho menor que la que se encuentra en las emisiones de las plantas de carbón o gas. Esto significa que se debe forzar mucho más aire a través de los sorbentes y no hay energía auxiliar "gratuita" para hacer esto, sino que se debe comprar.
• Aún así es necesario poner absorbentes en el líquido calentado para liberar el CO2 y calentar el agua es muy caro. Es por eso Termostato global La solución es utilizar el calor industrial residual en sitios que requieren CO2 como materia prima, permitiendo que el calor industrial residual cubra un gasto y evitando el gasto de distribución (que se explicará más adelante).
• El CO2 todavía debe estar comprimido o licuado.
• El CO2 aún debe almacenarse en preparación para su distribución o uso.

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¿Cómo se distribuye el CO2?

Como se ha señalado, el CO2 que se produce al quemar carbón o metano tiene 1.87 veces la masa del carbón, 2.75 veces la masa del metano, es un gas o un líquido y debe mantenerse comprimido o muy frío. Se parece mucho más al metano que al carbón. Su distribución es mucho más difícil que la del carbón.

Mientras que el carbón puede circular en vagones de tren con tolva abierta, el CO2 distribuido por tren requiere recipientes a presión o recipientes a presión que además se mantengan a una temperatura muy baja. El número total de vagones de tren necesarios es mucho mayor que el número de vagones de tren que transportarían el carbón y, como resultado, esto supondría un gasto sustancialmente mayor. El carbón es un producto barato y llevarlo del punto A al punto B ya representa una gran parte de su gasto, razón por la cual muchas plantas de generación de carbón se construyen en minas de carbón.

Cuando el CO2 se distribuye por gasoducto, el gasoducto tiene que lidiar con 2.75 veces la masa de CO2 que la del gas que ingresa a la instalación, lo que requiere efectivamente cerca de tres veces la infraestructura para eliminar los desechos como materia prima. Independientemente de si se considera una planta de carbón o de gas, se debe construir todo ese gasoducto.

Existen muy pocos conductos de CO2 en cualquier país. Varios lo hacen en Estados Unidos. Provienen principalmente de formaciones geológicas que atraparon CO2 durante millones de años para recuperación mejorada de petróleo sitios en su mayor parte. Más sobre eso más adelante. Grandes aumentos en la captura de CO2 en la fuente o desde el aire requerirían una red muy grande de nuevos gasoductos que tendrían que construirse con un gran gasto en infraestructura.

Y esos oleoductos tienen riesgos importantes. A través de ellos se bombea CO2 licuado para lograr las densidades y economías necesarias. Cuando una tubería se rompe, el CO2 líquido se convierte rápidamente en CO2 gaseoso. Ese gas es más pesado que el aire que respiramos, por lo que hasta que se difunde se acumula en el suelo y en las zonas más bajas. Cuando eso está en medio de la nada, sólo mueren animales. Pero en las zonas pobladas, los humanos corren riesgo.

La pequeña ciudad de Satartia, Mississippi, descubrió esto en 2020 cuando el oleoducto se rompió por el movimiento de tierra debido a las lluvias excesivas de las semanas anteriores. El CO2 inundó el área, dejando a 46 personas inconscientes y con convulsiones en el suelo, y probablemente con daños cerebrales y orgánicos duraderos. 200 más fueron evacuados, aunque los motores de combustión interna tampoco funcionaron. Imaginemos una ruptura de un oleoducto en una zona urbana importante, que es lo que se requeriría para importantes programas de captura y secuestro de carbono. El seguro sería astronómico si se permitiera el oleoducto.

Tanto los trenes como los oleoductos son negocios. Ganan dinero moviendo mercancías y bienes a través de sus redes desde los productores hasta los consumidores. Transportar CO2 costará más dinero que trasladar carbón o gas, duplicando o triplicando efectivamente los costos de distribución de cada planta de carbón y gas.

Todo lo anterior es la razón por la que muchos lugares que requieren CO2 como materia prima industrial utilizan CO2. Production instalaciones en el lugar en lugar de comprarlos. Ellos mismos queman gas o petróleo para crear CO2, de modo que no tengan que pagar dos o tres veces el costo de que se los envíen.

El CO2 es un mercancía que vale entre 17 y 50 dólares la tonelada. El carbón oscila entre 40 y 140 dólares, dependiendo de varios factores, aunque lleva un tiempo en declive. El metano está en el rango de 2 a 5 dólares por millón de BTU, con alrededor de 35,000 BTU por metro cúbico. Baste decir que el carbón y el gas valen más que el CO2 como mercancías, y la relación entre el gasto de distribución y el valor de la mercancía es muy diferente, especialmente si se consideran dos o tres veces la masa que debe distribuirse.

Las plantas de generación de carbón y gas se ubican cerca de centros de población o yacimientos de carbón, no cerca de lugares que requieren CO2 o donde se puede secuestrar CO2. La distribución es un componente muy costoso del costo de la CAC.

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¿Cómo se secuestra o utiliza el CO2?

Especialmente si se siguen quemando carbón y metano para obtener electricidad, no basta con capturar CO2, sino que debe almacenarse de forma segura durante períodos más cercanos al tiempo que el carbón y el metano estuvieron bajo tierra que a la vida humana. El almacenamiento de contención no puede tener fugas importantes y debe funcionar de forma pasiva. Como el CO2 es un gas que se encuentra en el rango de temperaturas de la atmósfera y debajo de la superficie de la tierra, por definición le gusta filtrarse.

Con diferencia, el mayor punto de consumo de CO2 es campos de recuperación mejorada de petróleo. Llevar el CO2 a la fase supercrítica con 90 kWh por tonelada permite bombearlo a campos petrolíferos agotados. En esa fase penetra en todos los rincones y ayuda a que los lodos restantes fluyan mejor mientras aumenta la presión bajo tierra. Esto hace que el petróleo fluya hacia el otro extremo del campo, donde puede ser bombeado.

En teoría, el CO2 utilizado en la recuperación mejorada de petróleo permanece bajo tierra, pero en la práctica se bombea a formaciones con decenas o incluso miles de agujeros naturales y creados por el hombre en forma de pozos petroleros y fallas naturales. La recuperación mejorada de petróleo no es una técnica de secuestro, sino una técnica diseñada para extraer más combustible a base de carbono del suelo para quemarlo.

La recuperación mejorada de petróleo no puede considerarse seriamente como una técnica de secuestro si el CO2 simplemente fugas a la superficie nuevamente y se extrae más carbono de los yacimientos de combustibles fósiles y se libera a la atmósfera mediante la quema. Es necesario realizar un esfuerzo significativo para evitar que el CO2 se escape, y esto tiene poco valor para los operadores de EOR, por lo que normalmente no se logra.

Otros procesos industriales, como los refrescos, los invernaderos a escala industrial, algunas formas de cemento, etc., utilizan cantidades comparativamente pequeñas de CO2. No existe un mercado sustancial para el CO2 que no se satisfaga hoy en día, de ahí la razón por la que el producto es barato. Aproximadamente tres cuartas partes del CO2 industrial se capturan a partir de concentraciones subterráneas de CO2, en la práctica como depósitos de metano. Este CO2 es barato en comparación con secuestrarlo después de su creación, por lo que el CO2 capturado tiene una base de costos más alta que el CO2 extraído y no será competitivo con él, especialmente sin un impuesto al carbono. Como ya se señaló, la gran mayoría de los ductos de CO2 van desde puntos de extracción hasta importantes sitios de recuperación mejorada de petróleo, no desde lugares donde se crea debido a la generación hasta los consumidores industriales.

La recuperación mejorada de petróleo utilizó sólo 48 millones de toneladas métricas de CO2 en 2008 en los EE.UU., que serían las emisiones de CO2 de sólo 13 plantas de generación de carbón. Los demás consumidores de CO2 son mucho menores. En 2013, sólo en EE.UU. había más de 500 plantas de generación de carbón y más de 1,700 plantas de generación de metano. Captar CO2 de todas las formas de generación de carbón y metano inundaría el mercado existente para el CO2, colapsaría su valor y lo haría aún menos viable económicamente.

Otras formas de secuestro no tienen valor fiscal alguno, sino que simplemente inyectan el CO2 en estructuras subterráneas donde permanece como gas o se une a otros minerales subterráneos para convertirse en gas. carbonato de calcio, un mineral estable. Inyectar CO2 requiere grandes instalaciones, perforación, tapado, bombeo, monitoreo, etc. No se obtienen ingresos para compensar esto, por lo que se hace muy poco de esto excepto como 'pilotos', 'instalaciones de prueba' y similares. Si bien presenta desafíos interesantes desde una perspectiva de ingeniería, es difícil imaginar que alguien con una buena experiencia en STEM directamente involucrado en él lo tome en serio como una solución.

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¿A qué se suma todo esto?

La captura y el secuestro de carbono nunca serán económicamente viables en comparación con otras alternativas. La realidad física de la escala de producción de CO2 a partir de la generación requiere una infraestructura de distribución de dos a tres veces la escala de la infraestructura de distribución de combustibles fósiles existente y daría como resultado electricidad a un costo de cuatro a cinco veces mayor. Mientras tanto, la generación eólica y solar ya son directamente competitivas en costos y, de hecho, más barato en muchos lugares que la generación de combustibles fósiles. Esta tendencia es clara. La generación de combustibles fósiles sin captura y secuestro de carbono tiende a ser, o ya lo es, más cara que la generación renovable, que no emite CO2 durante su funcionamiento y es cada vez más barata.

Los combustibles fósiles son la forma natural de secuestro de carbono, y la naturaleza necesitó millones de años de procesos libres y lentos para lograrlo. No es una opción racional para la humanidad desenterrar el carbono secuestrado, recapturarlo y recapturarlo a un gran costo cuando existen alternativas. Dejar el carbono secuestrado por los procesos geológicos donde está es la opción racional.

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* Gas natural tiene entre un 89.5% y un 92.5% de metano, que es un gas de efecto invernadero mucho más potente que el CO2 a corto plazo. Cuando se quema, con diferencia su uso predominante, emite CO2 en cantidades significativas. La extracción, el almacenamiento y la distribución tienen fugas desde pequeñas hasta desastrosas en escala y, cuando se utilizan según lo previsto, generan CO2. Llamarlo metano lo etiqueta con mayor precisión y permite a los profanos comprender las implicaciones de su uso. Al igual que el "carbón limpio", el "gas natural" tiene connotaciones de relaciones públicas que son inmerecidas.

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