Un rincón del desierto de Omán está cubierto por un tipo de roca con una sed insaciable de un gas incoloro e inodoro vital para la vida en la Tierra. Ese gas es CO2, y cuando reacciona con peridotita, una roca abundante en el manto terrestre, está empapado, formando un carbonato sólido similar a la piedra caliza.

La peridotita de Omán absorbe actualmente un estimado de 10, 000 a 100, 000 toneladas de dióxido de carbono al año, pero los científicos dicen que con una pequeña intervención humana, podría acelerarse para absorber una octava parte de las 38.000 millones de toneladas de CO2 emitidas por la quema de combustibles fósiles en todo el mundo. Un gas de efecto invernadero El CO2 se acumula en la atmósfera terrestre, donde atrapa el calor y eleva la temperatura media global, alimentando el clima extremo, como olas de calor más calientes, sequías más frecuentes, y huracanes más poderosos. La concentración actual de CO2 es de alrededor de 400 ppm, el más alto ha sido en al menos los últimos 800, 000 años.

Aunque es solo uno de los tipos de rocas con propiedades de absorción de CO2, y solo un método para reducir el impacto de las emisiones de CO2, la peridotita podría ayudar a mitigar los riesgos inminentes que plantea el cambio climático.

Los pioneros detrás de la investigación de la peridotita, Peter Kelemen y Juerg Matter, geólogos del Observatorio Terrestre Lamont-Doherty de la Universidad de Columbia, descubrieron la afinidad de la peridotita por consumir CO2 cuando lo llevaron al laboratorio para determinar su edad. Al darse cuenta de que la peridotita había reaccionado con el CO2 hace relativamente poco tiempo, empezaron a conceptualizar cómo podría ser la escala de la reacción.

Aunque sería demasiado caro mover la roca cerca de las centrales eléctricas donde podría absorber las emisiones, los investigadores sugieren que el CO2 podría canalizarse hacia el manto cargado de peridotita de la Tierra a través de un proceso similar a la fracturación hidráulica. Esto podría abrir un depósito gigante para el gas que no dependería de la ubicación, pero conlleva implicaciones medioambientales que deberían tenerse en cuenta.

Soluciones impulsadas por la naturaleza

Los geólogos han entendido desde hace mucho tiempo que las rocas son un importante sumidero de carbono. La erosión de las rocas ocurre cuando el CO2 se disuelve en gotas de agua de lluvia, añadiendo la acidez necesaria para disolver los minerales que componen la roca. La erosión de las rocas extrae aproximadamente mil millones de toneladas de CO2 de la atmósfera anualmente.

"Comprender estos procesos químicos naturales puede conducir a avances que nos permitan utilizar y acelerar los procesos que reducen el CO2 en la atmósfera, "dice Bradley Sageman, profesor y presidente de ciencias terrestres y planetarias en Northwestern. "Métodos como estos que son tecnología estándar hoy en día se consideraban ciencia ficción en el pasado. Tomemos el ejemplo de la peridotita de Omán. Si pudiéramos aprovechar esa reacción, tenemos un mecanismo potencialmente transformador para absorber CO2 a escala ".

Algunos de los colegas de Sageman estudian la cinética de las reacciones a la intemperie para obtener una comprensión fundamental del ciclo del carbono:la transformación circular del carbono entre los seres vivos y el medio ambiente. Los usuarios naturales de CO2 incluyen bosques, humedales, y turberas. Los científicos han estudiado estos y otros sumideros de carbono para desarrollar muchos procesos artificiales que producen efectos similares.

Dos tipos de secuestro artificial que se discuten comúnmente son el almacenamiento oceánico (bombear CO2 a las profundidades del océano) y el secuestro geológico, que inyecta CO2 en las profundidades de depósitos de petróleo y gas agotados o lechos de carbón que no se pueden extraer. Los científicos dudan en perseguir agresivamente cualquiera de estas soluciones debido a preocupaciones sobre la estabilidad de los sistemas naturales perturbados y los efectos potenciales sobre la vida marina.

Para comprender mejor la dinámica de las soluciones de almacenamiento, Sageman y su equipo analizan períodos de la historia de la Tierra caracterizados por altos niveles de CO2 atmosférico y calentamiento. "Gran parte del trabajo que hacemos es mejorar nuestra comprensión de cómo se comportó el sistema de la Tierra durante eventos pasados ​​de calentamiento global. Esto debería conducir a un mejor marco para discernir lo que puede suceder en un mundo que se calienta en el futuro, " él dice.

Si bien la captura y el almacenamiento a largo plazo de CO2 sugieren algunas soluciones viables para mitigar el CO2, Los científicos también están considerando el gas como un recurso para generar energía limpia. Alrededor del mundo, Los investigadores están demostrando que el CO2 puede ser un ingrediente clave en muchas tecnologías que producen energía neutra en carbono.

Dichas tecnologías podrían complementar los sistemas actuales basados ​​en combustibles fósiles para reducir las emisiones, y eventualmente capturar CO2 de la atmósfera para ayudar a mitigar el cambio climático. Las empresas grandes y pequeñas, en industrias que van desde la energía hasta las aerolíneas y la automotriz, se están dando cuenta.

Soluciones de resistencia industrial

Estrategas de la industria en todos los ámbitos, desde pequeñas startups hasta empresas multinacionales, buscan definir sus roles y oportunidades en un futuro de energía limpia. Buscan habilidades complementarias tecnologías o tecnólogos que están en proceso de desarrollar innovaciones técnicamente viables, pero carecen de vista hacia el mercado. Saben que con el riesgo viene la recompensa, y los pioneros no esperan la solución perfecta para sus necesidades energéticas; están trabajando con los tecnólogos más brillantes para crearlo.

En comparación con empresas de muchas otras industrias, no se sabe que las empresas de servicios públicos inviertan mucho en investigación y desarrollo, en lugar de depender de una base de conocimientos relativamente estática. Alterando ese status quo, Exelon, la empresa de servicios públicos regulada más grande del país que atiende a 10 millones de consumidores, está invirtiendo agresivamente en tecnologías que puede transformar en productos orientados al cliente.

Exelon está invirtiendo en muchos proyectos de etapa inicial y media que complementan sus servicios y, al mismo tiempo, reducen su huella de carbono. incluidas las inversiones en energía solar, celdas de combustible, y pilas. Un ejemplo, una empresa llamada NetPower, utiliza CO2 como fluido de trabajo para impulsar una turbina de combustión que genera electricidad sin producir emisiones. El sistema también produce CO2 con calidad de tubería que se puede almacenar o utilizar en procesos industriales. incluido un proceso mejorado de recuperación de petróleo en el que se inyecta CO2 en un depósito de petróleo para aumentar la producción.

En marzo de 2016, NetPower inició la construcción de una planta de demostración de 50 megavatios en La Porte, Texas, con el objetivo de operar tan eficientemente como las mejores plantas de gas natural de la actualidad. Parte de un programa de $ 140 millones, la planta incluirá el avance tecnológico continuo, un programa completo de pruebas y operaciones, y desarrollo de productos comerciales. Toshiba proporcionará una turbina de CO2 supercrítico y una cámara de combustión para el proyecto.

"Mucha gente dice que el gas natural es un combustible puente para reducir las emisiones en el sector eléctrico, pero debido a que la mayoría de las plantas de gas natural funcionan con turbinas que dependen de un ciclo de vapor tradicional, no pueden producir CO2 de alta calidad que pueda reutilizarse para otras cosas, "dice Gould." Además de eso, dado que las plantas NetPower no necesitan vapor para impulsar sus turbinas, también elimina el uso de agua ".

Impulsando la creación de valor

Como NetPower, muchas empresas de tecnología han desarrollado procesos para ayudar a las industrias a reducir su huella de carbono, y en algunos casos, hacer nuevos productos en el proceso. Una de esas empresas, LanzaTech, está haciendo olas en el reciclaje de carbono con un proceso biológico patentado que utiliza un microbio para convertir las emisiones industriales en combustibles y productos químicos útiles.

"Convertimos las emisiones en una variedad de nuevos productos valiosos que de otro modo provendrían de materias primas, "dice Prabhakar Nair, Vicepresidente de desarrollo comercial de LanzaTech.

El proceso de LanzaTech funciona con una variedad de microbios, permitiendo que un cliente especifique la producción deseada, actualmente etanol o butanodiol, y aproveche las condiciones del mercado.

Después de abrir dos plantas de preproducción en China, LanzaTech planea abrir su primera planta comercial a escala en Shanghai a fines de 2017. La compañía también está trabajando con el mayor productor de acero del mundo, ArcelorMittal, para implementar un proyecto a escala comercial en su acería insignia en Bélgica.

La clave del éxito de la empresa, según Nair, radica en la sinergia entre la tecnología, socios de la industria, y compradores de productos. El servicio completo en una instalación a escala de demostración incluye vincular a los socios de la industria con los compradores del subproducto que se produce allí. Por ejemplo, LanzaTech ha vinculado a los productores de acero con refinerías locales que están obligadas por reglamentación a mezclar etanol en sus mezclas de combustible.

"Al servir como puente entre las industrias que tienen un suministro de materia prima y las que tienen una necesidad, y al hacerlo con las emisiones de desechos, estamos poniendo en marcha la economía circular, "dice Nair.

La compañía recibió recientemente $ 4 millones de la Oficina de Tecnologías de Bioenergía del Departamento de Energía de EE. UU. Para diseñar y planificar una instalación a escala de demostración que utiliza gases de escape industriales de la fabricación de acero para producir tres millones de galones de combustibles diésel y de reactores con bajo contenido de carbono al año. Esto viene inmediatamente después de una asociación con Virgin Atlantic, que planea un vuelo de prueba en 2017 utilizando combustible para aviones fabricado con etanol bajo en carbono patentado por LanzaTech. LanzaTech estima que su tecnología es compatible con el 65 por ciento de las acerías, y si se implementa, podría producir 15 mil millones de galones de combustible para aviones al año, o una quinta parte del combustible de aviación utilizado en todo el mundo.

La carrera hacia la refinería solar

Imagínese llegar a la gasolinera mañana, pero en lugar de elegir entre sin plomo, más, o diésel, busca un combustible altamente eficiente hecho solo de la luz solar, agua, y CO2.

Estos mismos componentes que componen este "combustible solar" son las mismas tres cosas que las plantas vivas convierten en alimento. Apodado "fotosíntesis artificial, "a gran escala, este proceso podría salvar importantes obstáculos para reducir la dependencia de los combustibles fósiles.

Con sus ventajas, No es de extrañar que la investigación sobre combustibles solares haya despegado en todo el mundo, desde centros en Japón y Suecia hasta el Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial (JCAP) en California, fundada por el Departamento de Energía de EE. UU. en 2010. Con un presupuesto de 122 millones de dólares durante cinco años, La misión de JCAP es construir un prototipo de sistema de combustibles solares.

Los componentes del sistema previsto en JCAP son bastante básicos. El sistema requiere un material fotovoltaico para absorber la energía luminosa del sol, que luego se dirige a dos catalizadores separados para reducir el obstáculo energético para una reacción. Un catalizador divide el agua en protones y oxígeno y el otro convierte el dióxido de carbono y los protones en hidrocarburos. los principales componentes de los combustibles. Si bien estos procesos son posibles actualmente, todavía presentan desafíos.

Uno es económico. Los materiales utilizados tanto en la energía fotovoltaica como en los catalizadores son caros, incluidos materiales raros como el iridio o el platino, lo que presenta un desafío de escalabilidad. El otro es la eficiencia. Aunque diez veces más eficiente que la fotosíntesis natural para capturar y convertir la energía del sol, la eficiencia más alta registrada para la fotosíntesis artificial sigue siendo solo del 10 por ciento. Eso es menos de la mitad de la eficiencia de los paneles de silicio en el mercado actual.

Entonces, ¿por qué tanto alboroto para fabricar combustibles densos en energía cuando tenemos tecnologías renovables más eficientes disponibles en la actualidad? Fuentes de energía renovable, incluyendo energía solar y eólica, sólo se puede generar de forma intermitente, cuando el sol brilla o sopla el viento. Los combustibles presentan una opción viable para el almacenamiento de energía a escala de la red que podría compensar esa intermitencia y transportarse fácilmente a donde se necesiten.

La densidad de energía de los combustibles también es alrededor de 100 veces mayor que la de las baterías de mayor rendimiento. y muchos métodos de transporte, incluidos automóviles, buques, y aviones:ya tienen la infraestructura para funcionar con combustibles. Y cuando se trata de mitigar los efectos del cambio climático, si estos combustibles estuvieran hechos de dióxido de carbono capturado del aire, el proceso sería neutro en carbono y no emitiría nuevos gases de efecto invernadero a la atmósfera.

Colaboración a escala global

Debido a que quedan muchas preguntas sin respuesta, JCAP ha modificado su objetivo de crear un sistema de combustibles solares, en lugar de centrarse en conseguir los fundamentos correctos. Mientras tanto, otros científicos llevan a cabo un enfoque de sistema completo.

Ese enfoque requerirá colaboración e ingeniería de sistemas, dice Michael R. Wasielewski, Clare Hamilton Hall Profesora de Química y directora del Centro de Investigación de Energía Solar Argonne-Northwestern (ANSER). "Los investigadores tienen subsistemas que pueden funcionar en algún nivel de referencia, pero cuando intentas integrarlos, no es transparente y, por lo tanto, no es comercialmente viable. Necesita científicos que colaboren con ingenieros para resolver los errores y crear un sistema de trabajo completo, "Dice Wasielewski.

En ANSER, un Centro de Investigación de la Frontera de la Energía del Departamento de Energía de EE. UU., Wasielewski trabaja con más de 60 investigadores para desarrollar una comprensión fundamental de las moléculas, materiales y métodos necesarios para crear tecnologías significativamente más eficientes para los combustibles solares y la producción de electricidad solar. En 2013, Wasielewski también fundó el Solar Fuels Institute (SOFI).

SOFI lanzó un proyecto de demostración de seis fases en 2016 con la vista puesta en adoptar un enfoque de sistemas para desarrollar combustibles solares. A finales del año pasado, Los científicos de SOFI habían producido con éxito metanol en el laboratorio de Northwestern. "El proyecto de demostración SOFI se vio como un sistema desde el principio, ", dice Wasielewski." Vamos a tener que hacer que esto funcione de un extremo al otro. Pero no podemos hacerlo solos ".

Como consorcio global, SOFI tiene socios universitarios e industriales de todo el mundo, desde instituciones académicas que abarcan tres continentes hasta importantes multinacionales como Shell y Total. Todavía, SOFI busca colaboraciones de campos muy variados, incluida la economía y la política, trabajar en estrategias de implementación.

"Generalmente hablando, "Wasielewski dice, "Los científicos e ingenieros pueden encontrar más de una solución a un problema. Podemos ajustar un proceso para que sea mucho más eficiente, pero no podemos saber cuáles son las prioridades para los clientes del mundo real si no los involucramos desde el principio. Eso es lo que constituye una tecnología revolucionaria ".