Este artículo se publica en colaboración con The Conversation.
El carbón impulsó gran parte de la revolución industrial y sigue alimentando el crecimiento económico de países en desarrollo, como China e India.
Sin embargo, el lado oscuro del carbón es que genera grandes cantidades de los gases de efecto invernadero que retienen el calor, principalmente dióxido de carbono (CO2), que provocan el cambio climático. Esta contaminación por CO2 se suma a otras emisiones de la combustión del carbón que causan miles de muertes prematuras al día en todo el mundo.
Se llegó a pensar que las emisiones de CO2 de las centrales eléctricas de carbón podían controlarse enterrando el CO2 bajo tierra de forma económica. Sin embargo, nuestro reciente análisis, publicado en la revista Environmental Science & Technology , muestra que el concepto de captura y secuestro de carbono (CCS) será significativamente más caro de lo que se pensaba, porque los estudios anteriores calcularon mal la energía necesaria. Por ello, es poco probable que ofrezca una solución económicamente viable a la contaminación por CO2 de las centrales eléctricas de carbón.
Carbón y presupuesto mundial de carbono
Mientras los países estudian posibles formas de reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero en la Cumbre del Clima de la ONU en París, desarrollar una estrategia para frenar las emisiones de carbón será esencial para adoptar medidas significativas frente al cambio climático.
En todo el mundo, el uso del carbón para calor y electricidad representó más de 14.000 millones de toneladas métricas (gigatoneladas) de emisiones de CO2 en 2014, según la Agencia Internacional de la Energía. Esto supone alrededor de un tercio de las emisiones totales de gases de efecto invernadero del mundo.
La concentración atmosférica actual de CO2 es de unas 400 partes por millón (ppm). Nuestro análisis muestra que, si las centrales de carbón actuales siguen funcionando hasta el final de su vida útil prevista, emitirían colectivamente entre 260 y 350 gigatoneladas de CO2 de aquí a 2050, lo que aumentaría la concentración de CO2 en otras 13-18 ppm.
Los científicos han recomendado que la concentración de CO2 se mantenga dentro del rango de 430-480 ppm para evitar una interferencia peligrosa con el clima (definida como un aumento de dos grados Celsius de la temperatura en relación con la revolución preindustrial). Por tanto, el uso del carbón en las centrales existentes por sí solo consumirá entre un tercio y la mitad del «presupuesto de carbono» restante que tiene la humanidad para evitar superar ese umbral.
¿Llega la CCS al rescate?
Reconocer la importancia del carbón para el crecimiento económico mundial, junto con la necesidad de reducir las emisiones de CO2, ha suscitado un gran interés por la tecnología de «captura y secuestro de carbono» (CCS).
Estudios destacados, como los de Pacala and Socolow, Williams et al y Hertwich et al , sugieren un conjunto de estrategias para afrontar el reto del CO2. Cabe destacar que todos estos estudios asumen el despliegue generalizado de la CCS. Por ejemplo, Hertwich et al prevén que la CCS contribuiría a casi el 85 % de la reducción mundial de emisiones de CO2 de aquí a 2050.
La CCS consiste esencialmente en mantener el CO2 fuera de la atmósfera capturando el CO2 producido por los combustibles fósiles, comprimiéndolo a alta presión y, a continuación, transportándolo por gasoductos o barcos para su almacenamiento en el océano profundo o en depósitos geológicos subterráneos.
Actualmente no hay en funcionamiento ninguna central eléctrica de CCS a gran escala (definida como aquella con más de 500 megavatios de potencia), y la mayor parte de nuestro conocimiento sobre la tecnología procede de plantas a escala piloto de los años noventa y de modelos científicos posteriores del proceso de captura.
Capturar el CO2 de los gases de escape de las centrales de carbón requiere energía en forma de vapor y electricidad. Como parte de la energía se utiliza para la captura de CO2, la CCS reduce la potencia eléctrica de salida de una central y/o aumenta su aporte de combustible. Esto crea una «penalización energética» para las centrales, que incrementa sus costes de operación. Además, existe el elevado coste de capital que supone construir el sistema de CCS.
Los estudios previos estimaban habitualmente que el coste del combustible de las centrales de carbón que capturan el 90 % de sus emisiones de CO2 aumentaría alrededor de un 30 %-60 %. Sin embargo, los datos que surgen de los proyectos piloto recientes o de las plantas comerciales de CCS a pequeña escala han indicado sistemáticamente que, en realidad, la penalización energética y los costes de combustible son mucho mayores. ¿A qué se debe esta discrepancia?
Las cifras no cuadran
Para entender por qué las estimaciones de los primeros estudios piloto y modelos no coinciden con las observaciones más recientes sobre la penalización energética y los costes de la CCS, decidimos revisar algunas de las hipótesis y cálculos de la literatura sobre el análisis energético y económico de la CCS.
Nuestra investigación, financiada por la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos, demostró que los costes de combustible de las centrales de carbón pueden aumentar hasta un 136 % con la incorporación de una planta de captura de CO2. Es decir, los costes de combustible, que determinan el coste marginal de la generación eléctrica (y, en consecuencia, los beneficios) de una central, se duplicarían con creces en un escenario con CCS.
En nuestro análisis cuantificamos el «bucle de retroalimentación» de la CCS, lo que nos permitió obtener una estimación más precisa de la penalización energética. Este bucle surge porque el combustible adicional quemado para generar electricidad y vapor adicionales para la propia CCS produce CO2, que a su vez debe capturarse y almacenarse. Capturar este CO2 requiere, a su vez, más combustible, que de nuevo genera más CO2. Aunque los estudios anteriores habían definido una penalización energética, ignoraron este evidente bucle de retroalimentación, lo que dio lugar a una subestimación enorme de los costes de la CCS.
Rastreamos la confusión hasta el modo en que se interpretó un estudio piloto de los años noventa dentro de la literatura sobre energía y economía de la CCS. Ese estudio piloto informó de que la potencia de salida de su central de 513 megavatios se redujo a 336 megavatios debido al equipo de captura de carbono instalado. Esto equivale a una penalización energética del 35 %, lo que significa que se necesita un 35 % más de energía para producir la misma potencia en megavatios cuando se elimina el carbono del combustible.
Las discrepancias con la penalización energética real surgieron cuando estudios posteriores utilizaron esta cifra del 35 % sin incorporar plenamente sus supuestos subyacentes; es decir, a medida que las centrales capturan más carbono, necesitan quemar más combustible para capturar más carbono.
Esta energía adicional se traduce directamente en costes. Si se considera el aporte constante de combustible, el vapor necesario para la captura de carbono puede representar alrededor del 40 %-60 % del vapor total producido en la caldera de la central. Como este vapor no puede utilizarse para generar electricidad, supone una pérdida de ingresos y una penalización de beneficios para el operador de la central.
Las renovables salen mejor paradas
Nuestro análisis muestra que la CCS es más costosa en comparación con otras formas de generación eléctrica con bajas emisiones de carbono de lo que se pensaba anteriormente.
Costes de la electricidad para distintas fuentes de energía, desglosados en capital, operación y mantenimiento, y costes de combustible. Adaptado de Supekar y Skerlos (2015), DOI 10.1021/acs.est.5b03052.
Una vez incluida la penalización energética del bucle de retroalimentación, comprobamos que las energías renovables, como la eólica y la solar fotovoltaica, ya son más competitivas en costes que el carbón con CCS. Y las proyecciones muestran que la eólica y la solar seguirán abaratándose.
El gas natural, que genera alrededor de la mitad de CO2 que el carbón por cada unidad de electricidad que produce, también podría ser una alternativa más barata al carbón, tanto con como sin CCS.
Mantener el carbón bajo tierra no solo es la forma más económica de reducir las emisiones de carbono, sino también una manera segura de salvar miles de vidas cada día gracias a un aire más limpio. Es un caso clásico de «prevención», mediante la descarbonización de los sistemas energéticos, que resulta mejor y más barato que la «cura» de la captura de CO2.
La publicación no implica el respaldo de los puntos de vista por parte del Foro Económico Mundial.
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Autores: Steve Skerlos es catedrático de Ingeniería Mecánica y catedrático de Ingeniería Civil y Medioambiental en la Universidad de Míchigan. Sarang Supekar es becario posdoctoral en Ingeniería Mecánica en la Universidad de Míchigan.
Imagen: Vista de varios aerogeneradores de distintos parques eólicos. REUTERS/Fabian Bimmer.