I A mediados de la década de 2010 se hizo común decir que el gas natural sería un combustible puente hacia un futuro sin carbono, en el que la energía solar, eólica y otras tecnologías renovables proporcionar toda nuestra energía sin ninguna emisión de dióxido de carbono que empeore el cambio climático. Pero si el gas natural es realmente un puente, entonces no es parte del plan a largo plazo. Y si realmente construimos el puente, es probable que nos quedemos en él.
El consumo de gas natural en los EE. UU. Ha aumentado en un tercio en los últimos 15 años. El gas representa el 32 por ciento del consumo total de energía y ahora es la mayor fuente de electricidad a nivel nacional, desplazando en gran medida a las centrales eléctricas de carbón. El gas natural, principalmente el metano, se quema mucho más limpio que el carbón y proporciona un respaldo listo para los parques eólicos y solares variables. Eso suena prometedor, excepto que la quema de gas natural todavía genera CO 2 . El metano en pozos y tuberías puede filtrarse a la atmósfera, amplificando el calentamiento global. Y una vez que cierra la última planta de carbón, las plantas de gas natural se utilizan en las fuentes de electricidad más sucias.
Para reducir las emisiones de CO 2 , la sociedad debe descarbonizar sus sistemas energéticos lo más rápido posible. La construcción de más parques eólicos y solares es relativamente económica y rápida, y acelera el cierre de las plantas de carbón. Pero la explotación de las mejores ubicaciones, las llanuras azotadas por el viento y los desiertos soleados, requiere una red de transmisión muy ampliada para llevar los electrones a las principales ciudades y complejos industriales. Esos cables y postes presentan riesgos de tormentas de viento, inundaciones e incendios, todos en aumento debido al cambio climático, y un municipio tras otro combate habitualmente los planos de expansión: “No en mi patio trasero”.
La infraestructura de gas natural, casi toda subterránea, es mucho menos propensa a sufrir interrupciones. Estados Unidos tiene cerca de tres millones de millas de gasoductos que pasan por debajo de casi todas las ciudades importantes de los 48 estados contiguos. Después de agregar todos los compresores, tanques y cavernas de almacenamiento, la infraestructura vale varios billones de dólares. Las centrales eléctricas en sí agregan cientos de miles de millones de dólares más. Los casi 70 millones de hogares que reciben gas natural tienen hornos, calentadores de agua y estufas por valor de al menos otros $ 100 mil millones. Multiplique toda esa inversión hundida por aproximadamente cinco para todo el mundo. El gas también está más entrelazado que cualquier otra fuente de energía con otros sectores de la sociedad: transporte, edificios (para calefacción y cocina) e industria (para calefacción y como materia prima para productos químicos), lo que dificulta su reemplazo.
Cambiar esa infraestructura antes de que termine su vida útil natural también implicaría pérdidas financieras para los propietarios actuales, que se opondrán. La tecnología de reemplazo podría costarle a los contribuyentes, a los contribuyentes ya los propietarios de viviendas, quienes también se opondrán. Y más electricidad no resuelve fácilmente la necesidad de combustibles líquidos quemados en camiones, barcos y aviones o de calor intenso en fundiciones industriales, destilerías y refinerías que producen volúmenes de metales, cemento, vidrio, combustible para aviones y productos químicos. La densidad de energía de los combustibles líquidos es difícil de igualar.
Si podemos eliminar las emisiones del sistema de gas natural, podría ser parte de un futuro neutro en carbono en lugar de un puente. La tecnología existe para extraer el carbono o transformar el gas de modo que el carbono salga y el carbono se equilibre a cero o cerca de cero.
El primer paso en un plan integral para descarbonizar la infraestructura energética de la nación sería mejorar la eficiencia energética y la conservación para reducir el consumo. La segunda sería electrificar tantos coches, calefactores, calentadores de agua y estufas como sea práctico, utilizando fuentes renovables. Al mismo tiempo, reforzar la infraestructura de gas con fugas. Y reemplace tanto gas natural como sea posible con alternativas bajas en carbono como biogás, hidrógeno y metano sintetizado o use un proceso llamado pirólisis al final de las tuberías de gas natural para sacar el carbono.
Los partidarios de la energía limpia se preocupan, con razón, de que cualquier inversión en infraestructura de gas cree un efecto de bloqueo. Cada nueva planta de energía, tubería o unidad de almacenamiento de gas tiene una vida útil de 25 a 80 años, por lo que cada elemento podría convertirse en una trampa para más emisiones o en un activo inmovilizado. Pero podemos resolver el problema del bloqueo con alternativas de suministro directo al gas natural: gases con bajo contenido de carbono que pueden fluir a través de tuberías, tanques y centrales eléctricas existentes, aprovechando esos billones de dólares en activos.
GAS SIN CARBONO
El sustituto directo más listo para el gas natural es el biometano, gas metano producido a partir de fuentes biológicas. Los microbios dentro de grandes tambores llamados digestores anaeróbicos mastican materia orgánica como desechos de cultivos, estiércol, aguas residuales y desechos de alimentos y otra basura en los vertederos, produciendo metano. Los biodigestores, que ya son una tecnología madura, transforman los flujos de desechos en los vertederos y las lagunas de desechos adyacentes a las operaciones concentradas de alimentación animal de los pasivos ambientales en productos valiosos, generando ingresos para los municipios y los agricultores.
El biometano está trabajando en Austin, Texas. Waste Management, que opera uno de los vertederos de la ciudad, recolecta biometano de 128 pozos en su sitio y lo quema para generar suficiente electricidad para 4,000 a 6,000 hogares. Y una de las plantas de tratamiento de aguas residuales de la ciudad tiene ocho biodigestores, cada uno con dos millones de galones de capacidad; los microbios hacen las aguas residuales en biogás que alimenta a los generadores de electricidad en el lugar. El proceso crea un subproducto sólido Dillo Dirt, que se siente llamado y huele como un abono grumoso. Un contratista de la ciudad lo vende por bolsa en las tiendas de la zona para enriquecer el suelo.
Aproximadamente una cuarta parte de los más de 2.000 vertederos de EE. UU. Ahora recolectan su gas o procesan sus desechos en biogás utilizando biodigestores. Sin embargo, eso solo compensa menos del 1 por ciento del uso total de gas natural del país. El biogás puede servir como un sustituto directo del gas natural, pero el volumen relativo, globalmente, es bajo. Si una granja, vertedero o planta de aguas residuales no puede usar el gas para generar electricidad o no está al lado de una red de gas, es posible que sea necesario licuar el biometano y transportarlo en camión a otra ubicación, lo que reduce la rentabilidad del carbono. Aún así, el biometano es una tecnología comercialmente lista que puede comenzar a descarbonizar parte del sistema de gas.
HIDRÓGENO EN LUGAR DE METANO
El gas natural se puede reemplazar por completo con hidrógeno. Las turbinas pueden quemar hidrógeno para generar electricidad para la red, y los motores de combustión interna pueden quemarlo en vehículos pesados. El hidrógeno de las pilas de combustible puede producir electricidad para automóviles, hogares u oficinas. Y el hidrógeno es un bloque de construcción listo para muchos productos químicos básicos. Quemarlo o reaccionarlo en pilas de combustible no produce CO 2 . El hidrógeno filtrado tiene un efecto de calentamiento que es solo una fracción del metano.
El hidrógeno natural se filtra del suelo desde las cuencas en muchos cratones de la tierra: grandes bloques de roca antigua que forman las partes centrales de los continentes. Los científicos se han encontrado con estas filtraciones durante más de un siglo. Sin embargo, las compañías de petróleo y gas han considerado al hidrógeno como una molestia cuando lo encuentran junto a depósitos subterráneos porque puede incendiarse y degradar las tuberías de metal. Pero hoy, investigadores corporativos y universitarios están perforando pozos de prueba de hidrógeno y lanzando programas de varios años para buscar hidrógeno bajo tierra. La anticipación se siente similar a lo que surgió durante los primeros días de la fracturación hidráulica: existe un gran recurso, si los ingenieros pueden descubrir cómo aprovecharlo de manera económica y segura.
También podemos fabricar hidrógeno. En este momento, la mayor parte del hidrógeno para la industria se produce a partir de la reconformación del metano con vapor, agregando calor y agua caliente al metano para crear hidrógeno y CO 2 . La electrólisis, que utiliza electricidad para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, también puede crear gas hidrógeno. Sin embargo, ambos procesos requieren cantidades importantes de energía.
Mover y almacenar hidrógeno gaseoso también es un desafío. Debido a la baja densidad del hidrógeno, se necesita mucha energía para moverlo a través de una tubería en comparación con gases más densos como el metano o líquidos como el petróleo. Después de varios cientos de kilómetros, la ineficiencia hace que mover hidrógeno sea más caro que el valor de la energía que transporta. Y el hidrógeno puede debilitar las tuberías de acero a menos que se mitigue alterando las condiciones operativas o incorporando aleaciones costosas.
Una forma de integración de hidrógeno es mezclarlo con metano en un gasoducto de gas natural existente. Esta mezcla descarboniza parte del sistema al desplazar una parte del gas natural con hidrógeno. Los experimentos en el Reino Unido y Francia muestran que una mezcla de 80 por ciento de metano y 20 por ciento de hidrógeno se puede mover de manera eficiente en un gasoducto de gas natural. Como parte de un estudio desde mediados de 2018 hasta marzo de 2020, Dunkerque, Francia, utilizó una mezcla 80-20 para alimentar 100 hogares y una caldera de hospital sin ningún equipo nuevo a lo largo de la tubería o en los edificios.
Es posible que los accesorios dentro de hornos y estufas, como las puntas de los quemadores, necesiten ser modificados o reemplazados por mezclas con más del 20 por ciento de hidrógeno porque, como el hidrógeno puro, el gas mezclado se quema a diferentes temperaturas y velocidades . Otra consideración es que debido a la baja densidad energética del hidrógeno, una mezcla del 20 por ciento en volumen proporciona un 14 por ciento menos de energía por pie cúbico que el gas natural.
Una forma de evitar ciertos desafíos de costos y seguridad es canalizar el hidrógeno como parte de otra forma química que sabemos cómo manejar, como el amoníaco, que tiene un átomo de nitrógeno y tres átomos de hidrógeno. Las moléculas que incluyen átomos de hidrógeno se conocen como portadores de hidrógeno. El hidrógeno se convierte, donde se encuentra o se produce, en el portador, que se deja caer en las componentes existentes y se usa en esa forma o se convierte nuevamente en hidrógeno en el destino.
Los vehículos comunes como el amoníaco, el ácido fórmico y el metanol son líquidos en condiciones cercanas a las ambientales, lo que los hace más fáciles de transportar que el hidrógeno gaseoso. Aunque el amoníaco es cáustico, ya se transporta en todo el mundo como ingrediente fertilizante y se puede quemar sin producir CO 2 . El metano podría ser la opción más eficiente porque lleva cuatro átomos de hidrógeno por cada átomo de carbono y ya es compatible con tuberías, compresores, tanques, turbinas y aparatos existentes.
Los proyectos de demostración están creciendo rápidamente en número. El constructor industrial finlandés Wärtsilä está construyendo un nuevo barco para 2023 llamado Viking Energy que funcionará con amoníaco con pilas de combustible, evitando las emisiones de gases de efecto invernadero y otros contaminantes que plagan el sector marítimo. Air France y el aeropuerto Charles De Gaulle de París están muy interesados en el hidrógeno como forma de descarbonizar la aviación. Sin embargo, los portadores de hidrógeno aún se encuentran en las primeras etapas de la investigación, por lo que es difícil decir qué tan exitosos podrían ser.
Las plantas de energía que queman hidrógeno también están en la mesa de dibujo. En Delta, Utah, la planta de energía Intermountain, una de las plantas de carbón más grandes de Estados Unidos, envía electricidad a cientos de millas a Los Ángeles. Para cumplir con el requisito a largo plazo de la ciudad de energía renovable y baja en carbono, en 2025 los propietarios de plantas reemplazarán las calderas de carbón con turbinas que puedan quemar hidrógeno. Comenzarán con una mezcla de 30 por ciento de hidrógeno en gas natural y luego pasarán a 100 por ciento de hidrógeno. El hidrógeno se generará allí mismo mediante electrólisis impulsada por energía eólica y solar y se almacenará en más de 100 cavernas de sal subterráneas existentes, cada una del tamaño del Empire State Building.
FIN DE LA TUBERÍA
En el lugar de descarbonizar el gas natural antes de que ingrese a la tubería, podríamos eliminar el carbono al final de la tubería, donde los clientes consumen el gas. El metano, por ejemplo, se puede dividir en la ubicación del usuario en hidrógeno y carbono sólido, que parece un polvo fino y negro. El proceso, llamado pirólisis de metano, es eficiente y elimina las emisiones de CO 2 . Cada kilogramo de hidrógeno producido a partir de metano pirolizado genera tres kilogramos de carbono sólido en el lugar de nueve kilogramos de gas CO 2 que se emitiría si se quemara el metano.
La pila de polvo de carbón que se acumula dentro de un colector en un horno o estufa sería transportada cada mes aproximadamente. Ya pagamos a los transportistas de basura ya las plantas de procesamiento de aguas residuales municipales para que limpien nuestros desechos sólidos y líquidos; también deberíamos pagar para limpiar los desechos de nuestro uso de gas. Sin embargo, las pilas de carbono tienen valor porque pueden venderse como ingrediente básico para la fabricación de grafito, caucho, revestimientos, baterías y productos químicos, así como como enmienda del suelo para la agricultura.
Aunque los ingenieros han estudiado la pirólisis de metano durante décadas, la han implementado solo en pequeños proyectos de demostración. Es necesario cambiar algunos equipos al final de la tubería para separar el carbono, pero no sería necesario construir costosas tuberías de hidrógeno, lo que simplifica enormemente las cosas. La pirólisis del gas natural convencional puede llevar a cabo un cabo todo el sistema a casi cero carbono. Agregar metano de biodigestores o de CO 2 en la atmósfera usando electricidad renovable podría hacer que el sistema sea negativo en carbono.
Imaginar cualquiera de estos futuros descarbonizados podría evocar visiones de grandes nuevos complejos industriales o millones de pequeños cambios de equipos para los consumidores. Pero también lo hacen otras propuestas para frenar las emisiones. Electrificar cada calentador, estufa y vehículo requiere un reemplazo tecnológico generalizado. Los aviones para extraer directamente el CO 2 del aire requieren millones de grandes máquinas para capturar el gas y secuestrarlo, empresas en expansión que también demandarían mucha tierra nueva y nueva electricidad.
El gas descarbonizado nos permitirá aprovechar los billones de dólares en tuberías, equipos y electrodomésticos existentes, ahorrando enormes sumas de dinero y años de tiempo en la creación de un sistema de energía sin carbono. Por supuesto, deberíamos que arreglar la infraestructura con fugas. Las fugas se pueden minimizar reemplazando equipos neumáticos con dispositivos eléctricos en los pozos, mejorando la automatización de las inspecciones de tubería y tanques con sensores en drones y robots, y redactando regulaciones que ya no hagan la vista gorda ante las fugas, además de ventilar o quemar deliberadamente gas no deseado. Este trabajo crearía puestos de trabajo para los trabajadores de las industrias del petróleo y el gas y limpiaría la infraestructura energética, lo que a su vez podría reducir la contaminación en las comunidades cercanas a las instalaciones de energía.
Controlar el cambio climático requiere muchas soluciones. Declarar quién no puede formar parte de ellos, como las empresas de gas natural, solo genera resistencia al progreso. Debido a que el gas descarbonizado complementariamente la electricidad renovable y debido a que podría ser un camino más rápido, más barato y más efectivo para las partes de la sociedad que son difíciles de electrificar, no debemos descartar el gas como una opción. Tenemos una enorme infraestructura de gas y tenemos que averiguar qué hacer con ella. Sería lento, costoso e increíblemente difícil, pero podríamos ponerlo a trabajar para crear un futuro con bajas emisiones Eliminar de carbono.
Fuente:
Webber, ME y Webber, ME (2021, 16 de marzo). ¿Puede el gas natural formar parte de un futuro con bajas emisiones de carbono? Recuperado 16 de marzo de 2021, de https://www.scientificamerican.com/article/can-natural-gas-be-part-of-a-low-carbon-future/?error=cookies_not_supported&code=72b4a0d6-71e4-4983 -ae52-a924983566d2