Descarbonización del uso del carbón en India: papel de la captura, utilización y almacenamiento de carbono

La compleja y elaborada red de carbón que sustenta el suministro de energía y el apoyo social en India debe complementarse con CCUS para la descarbonización sin grandes trastornos económicos y sociales.

Este artículo es parte de la serie Comprehensive Energy Monitor: India and the World

La captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS) puede definirse como la captura, el uso y el almacenamiento seguro de carbono que, de lo contrario, se emitiría o permanecería en la atmósfera. La razón fundamental para la captura y el almacenamiento de carbono es permitir el uso de combustibles fósiles y al mismo tiempo reducir las emisiones de dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera, mitigando así el cambio climático global. El período de almacenamiento de CO2 excede los períodos pico estimados de explotación de combustibles fósiles, por lo que si el CO2 vuelve a emerger a la atmósfera, ocurrirá más allá del pico previsto en las concentraciones atmosféricas de CO2. La eliminación de CO2 de la atmósfera aumentando su absorción en los suelos y la vegetación (p. ej., forestación) o en el océano (p. ej., fertilización con hierro) también es una forma de secuestro de carbono a través de sumideros naturales.

La opinión general (oficial) en la India está a favor del uso. La gasificación a gran escala del carbón doméstico junto con CCUS se considera un medio para la industrialización a gran escala sin emisiones de carbono con la producción nacional de metanol, amoníaco (fertilizante), olefinas, acero y energía que también mejorará la producción de petróleo de la India a partir de su agotamiento. campos de petróleo. Los productos químicos a base de metanol y las olefinas se pueden utilizar para plásticos y como sustitutos de la gasolina, el diésel y el GLP (gas licuado de petróleo). Con el carbón doméstico como materia prima para la producción de estos productos químicos, la economía india podría ahorrar potencialmente miles de millones de dólares y generar actividad y empleos domésticos a través de la reducción de la importación de petróleo crudo. En los márgenes, existe cierta reserva sobre el uso de CCUS para reducir las emisiones de carbono. CCUS se ve simplemente como un medio para extender el uso de combustibles fósiles, particularmente el uso de carbón en India, lo que retrasará o incluso evitará que India avance hacia el futuro con tecnologías de energía renovable (RE) bajas en carbono, como la solar y la eólica. La tecnología CCUS se considera no probada, peligrosa (especialmente en el contexto del almacenamiento) y costosa.

Con el carbón doméstico como materia prima para la producción de estos productos químicos, la economía india podría ahorrar potencialmente miles de millones de dólares y generar actividad y empleos domésticos a través de la reducción de la importación de petróleo crudo.

A nivel mundial, incluso las instituciones más sensibles al clima favorecen a CCUS como un medio fundamental para la descarbonización. CCUS es uno de los cuatro pilares de un mundo de carbono neto cero junto con la electrificación basada en energías renovables, la bioenergía y el hidrógeno de la Agencia Internacional de Energía (AIE). En septiembre de 2019, el secretario ejecutivo de cambio climático de la ONU observó que "CCUS no es un destino, sino una transición de la realidad actual dependiente de los combustibles fósiles a un futuro climáticamente neutral para 2050".

Las centrales eléctricas indias representan la mayor parte de las emisiones de CO2. El gas natural que sale de los pozos de producción a menudo contiene una fracción significativa de CO2 que podría capturarse y almacenarse. Otros procesos industriales que se prestan a la captura de carbono son la fabricación de acero, amoníaco y cemento, la fermentación y la producción de hidrógeno (p. ej., en la refinación de petróleo). Pueden surgir oportunidades futuras para la captura de CO2 a partir de la producción de combustibles de hidrógeno a partir de materias primas ricas en carbono, como el gas natural, el carbón y la biomasa. El subproducto de CO2 sería relativamente puro y el hidrógeno podría usarse en celdas de combustible y otras tecnologías basadas en combustible de hidrógeno, pero existen costos importantes involucrados en el desarrollo de un mercado masivo y una infraestructura para estos nuevos combustibles.

Existen muchos métodos de precombustión y poscombustión para la captura de CO2. En el proceso de absorción química, el CO2 se absorbe en un disolvente líquido mediante la formación de un compuesto unido químicamente. Cuando se utiliza en una planta de energía para capturar CO2, el gas de combustión (poscombustión) se burbujea a través del solvente en una columna absorbente empacada, donde el solvente elimina preferentemente el CO2 del gas de combustión. Posteriormente, el solvente pasa a través de una unidad regeneradora donde el CO2 absorbido se elimina del solvente. El absorbente más utilizado para la absorción de CO2 es la monoetanolamina (MEA). Esta es la técnica de separación de CO2 más avanzada y ampliamente utilizada que se aplica actualmente en una serie de proyectos de pequeña y gran escala en todo el mundo en la generación de energía, la transformación de combustibles y la producción industrial.

La separación física se basa en la adsorción (adhesión de átomos, iones o moléculas de un gas, líquido o sólido disuelto a una superficie), absorción, separación criogénica o deshidratación y compresión. La adsorción física utiliza una superficie sólida, mientras que la absorción física utiliza un disolvente líquido. Después de la captura por medio de un adsorbente, el CO2 se libera al aumentar la temperatura o la presión. Este método de eliminación de CO2 se utiliza principalmente en el procesamiento de gas natural y en la producción de etanol, metanol e hidrógeno.

El método de separación de oxicombustible implica la combustión de un combustible utilizando oxígeno casi puro y la posterior captura del CO2 emitido. Dado que los gases de combustión se componen casi exclusivamente de CO2 y vapor de agua, este último se elimina mediante deshidratación para obtener una corriente de CO2 de alta pureza. A nivel mundial, se han completado una serie de proyectos de prototipo/demostración previa que utilizan este método en la generación de energía a base de carbón y en la producción de cemento.

El método de separación por membrana se basa en membranas poliméricas o inorgánicas con alta selectividad de CO2, que dejan pasar el CO2 pero actúan como barreras para retener los otros gases en la corriente de gas. Las membranas para la eliminación de CO2 del gas de síntesis y el biogás ya están disponibles comercialmente, mientras que las membranas para el tratamiento de gases de combustión están actualmente en desarrollo.

El método de separación de oxicombustible implica la combustión de un combustible utilizando oxígeno casi puro y la posterior captura del CO2 emitido.

Las tecnologías de bucle químico y de calcio implican la captura de CO2 a alta temperatura utilizando dos reactores principales. En el bucle de calcio, el primer reactor usa cal (óxido de calcio, CaO) como sorbente (material usado para absorber o adsorber líquidos o gases) para capturar CO2 de una corriente de gas para formar carbonato de calcio (CaCO3). Posteriormente, el CaCO3 se transporta al segundo reactor donde se regenera, dando como resultado cal y una corriente pura de CO2. Luego, la cal se devuelve al primer reactor. En el circuito químico, el primer reactor utiliza pequeñas partículas de metal (hierro o manganeso) para unir el oxígeno del aire y formar un óxido metálico, que luego se transporta al segundo reactor donde reacciona con el combustible, produciendo energía y una corriente concentrada de CO2, regenerando la forma reducida del metal. Luego, el metal se devuelve al primer reactor. Esta tecnología se encuentra en etapa piloto/precomercial.

La separación directa implica la captura de las emisiones de proceso de CO2 de la producción de cemento mediante el calentamiento indirecto de la piedra caliza utilizando un calcinador especial. Esta tecnología extrae el CO2 directamente de la piedra caliza, sin mezclarlo con otros gases de combustión, lo que reduce considerablemente los costes energéticos relacionados con la separación de gases. Esta tecnología se está probando actualmente en proyectos piloto.

En los ciclos de potencia de CO2 supercríticos, se utiliza CO2 supercrítico (CO2 por encima de su temperatura y presión críticas) en lugar de gas de combustión o vapor para impulsar una o varias turbinas. Las turbinas de CO2 supercrítico suelen utilizar oxígeno casi puro para quemar el combustible, con el fin de obtener un gas de combustión compuesto únicamente de CO2 y vapor de agua. Los proyectos de prototipo y demostración que utilizan esta tecnología están actualmente en funcionamiento.

Para el transporte de CO₂, las dos opciones principales son por tubería y por barco, aunque para distancias cortas y pequeños volúmenes, el CO2 también se puede transportar por camión o ferrocarril pero a un coste mayor. Los oleoductos son la forma más económica de transportar CO2 en grandes cantidades en tierra y, dependiendo de la distancia y los volúmenes, en alta mar. El transporte de CO2 por tubería ya se implementa a gran escala a nivel mundial.

Para el almacenamiento de CO2, se están estudiando campos de carbón y de petróleo y gas en la India. Se cree que el potencial de almacenamiento en yacimientos de carbón a profundidades superiores a 1.200 metros es bastante alto. Se estima que el potencial de almacenamiento de CO2 en tierra y mar adentro en la India está entre un mínimo de 99 giga toneladas (Gt) y un máximo de 697 Gt, ubicado principalmente en formaciones geológicas como yacimientos de carbón, yacimientos de petróleo y gas, cuencas sedimentarias y acuíferos salinos. El potencial de almacenamiento de CO2 en la India es un poco más del 1 por ciento del potencial total de almacenamiento global de CO2, pero esto no es necesariamente un problema, ya que incluso el potencial de almacenamiento de caso bajo supera con creces las emisiones potenciales de CO2 de la India en el futuro. Las emisiones totales de carbono de India fueron de 2,648 Gt en 2021 y para 2050 se espera que las emisiones de CO2 de India aumenten a 3,325 Gt según el escenario de política establecido por la AIE. Para cumplir con las promesas de reducción de carbono hechas por India, estas emisiones deben caer a menos de 900 millones de toneladas.

Cada una de estas tecnologías conlleva una penalización energética y económica. La sanción económica de CCUS se puede considerar en términos de cuatro componentes: separación, compresión, transporte e inyección. Estos costos dependen de muchos factores, incluida la fuente del CO2, la distancia de transporte y el tipo y las características del depósito de almacenamiento. El coste energético y económico varía en función de la captura de CO2 para uso comercial o para almacenamiento.

La principal diferencia entre la captura de CO2 para los mercados comerciales y la captura de CO2 para el almacenamiento es el papel de la energía. En el primer caso, la energía es una mercancía y lo único que nos importa es su precio. En este último caso, el uso de energía genera más emisiones de CO2, que es precisamente lo que queremos evitar.

Las emisiones totales de carbono de India fueron de 2,648 Gt en 2021 y para 2050 se espera que las emisiones de CO2 de India aumenten a 3,325 Gt según el escenario de política establecido por la AIE.

Podemos dar cuenta de la penalización energética calculando los costos sobre una base de CO2 evitado. Debido a la energía extra requerida para capturar CO2, la cantidad de emisiones de CO2 evitadas es siempre menor que la cantidad de CO2 capturado. Por lo tanto, la captura de CO2 con fines de almacenamiento requiere más énfasis en la reducción de los insumos de energía que en los procesos comerciales tradicionales.

En el caso de la captura de CO2 para uso comercial, el CO2 capturado se utiliza para varios procesos industriales y comerciales, como en la producción de urea, soplado de espuma, bebidas carbonatadas y producción de hielo seco. Debido a que el CO2 capturado se utiliza como producto comercial, el proceso de absorción, aunque costoso, es rentable debido al precio obtenido por el CO2 comercial.

Según la IEA, el costo de CCUS puede variar mucho según la fuente de CO2, desde un rango de US$15-25/tonelada de CO2 (tCO2) para procesos industriales que producen corrientes de CO2 "puras" o altamente concentradas (como la producción de etanol o gas natural). procesamiento de gas) a US$40-120/t CO2 para procesos con flujos de gas "diluidos", como la producción de cemento y la generación de energía. Capturar CO2 directamente del aire es actualmente el enfoque más costoso.

Los costos de transporte y almacenamiento de CO2 también pueden variar mucho de un caso a otro, dependiendo principalmente de los volúmenes de CO2, las distancias de transporte y las condiciones de almacenamiento. El costo del transporte por tubería terrestre se estima en US$2-14/tCO2. Actualmente, se estima que más de la mitad de la capacidad de almacenamiento en tierra está disponible por debajo de US$10/tCO2. El costo de almacenamiento puede incluso ser negativo si el CO2 se inyecta (y almacena permanentemente) en campos petrolíferos para mejorar la producción y generar así más ingresos por las ventas de petróleo.

En la India, las industrias pesadas, como la fabricación de cemento, acero, productos químicos y aluminio, y el transporte pesado, como el transporte marítimo, los camiones y la aviación, son responsables de más de un tercio de las emisiones de CO2. Estas emisiones de CO2 se consideran 'difíciles de reducir' porque es difícil replicar los procesos de producción de alta temperatura y alta presión basados ​​en combustibles fósiles con electricidad baja en carbono. La mejora de la eficiencia y los cambios de combustible en los procesos de producción existentes en todas las industrias podrían reducir potencialmente alrededor del 22 por ciento (600 millones de toneladas de CO2) de las emisiones en 2050 en comparación con un escenario sin medidas de eficiencia. Pero esto no es suficiente para lograr una reducción sustancial de las emisiones.

Dada la dificultad de encontrar alternativas a los combustibles fósiles en las industrias pesadas y en algunos sectores del transporte, el Gobierno de la India ha lanzado un 'desafío de innovación de misión' en CCUS a través del departamento de ciencia y tecnología (DST), para desarrollar tecnologías que aborden el alto capital. costos, seguridad, logística y alto consumo de energía auxiliar en CCUS para que las emisiones de las centrales térmicas y las industrias intensivas en carbono puedan reducirse a niveles cercanos a cero a un costo razonable. El DST junto con el departamento de biotecnología (DBT) lanzaron conjuntamente una iniciativa en 2018 para llevar a cabo investigación y desarrollo (I + D) conjuntos con los países miembros Francia, Alemania, Grecia, Noruega, Rumania, Suiza, los Países Bajos, Turquía, el Reino Unido y los Estados Unidos para identificar y priorizar tecnologías innovadoras en el campo de la captura, separación, almacenamiento y adición de valor de CO2. La iniciativa de aceleración de tecnologías CCS (ACT) del DST tiene como objetivo facilitar la I + D y la innovación que pueden conducir al desarrollo de tecnologías CCUS seguras y rentables. En julio de 2020, India acordó aceptar la asistencia de EE. UU. para introducir la tecnología CCUS en unidades de generación de energía a base de carbón en India. Oil and Natural Gas Corporation Limited (ONGC) e Indian Oil Corporation (IOC) se unieron para lanzar un proyecto CCUS en la refinería Koyali de IOC en Gujarat, donde el CO2 capturado se utilizará para la recuperación mejorada de petróleo (EOR).

También hay algunas iniciativas privadas. Desde octubre de 2016, Tuticorin Alkali Chemicals and Fertilizers Limited (TACFL), en asociación con Carbon Clean, una empresa privada con sede en el Reino Unido, ha estado operando la primera planta de captura y utilización de carbono (CCU) a escala industrial del mundo cerca de Chennai. Instalada en una caldera alimentada con carbón, la planta está diseñada para capturar 60.000 toneladas de CO2 al año y convertirlas en carbonato de sodio. El proyecto está financiado de forma privada y el costo se estima en solo US$30/tCO2, mucho más bajo que los US$60-90/t CO2 que normalmente se observan en el sector energético global.

Oil and Natural Gas Corporation Limited (ONGC) e Indian Oil Corporation (IOC) se unieron para lanzar un proyecto CCUS en la refinería Koyali de IOC en Gujarat, donde el CO2 capturado se utilizará para la recuperación mejorada de petróleo (EOR).

Según los defensores de la tecnología CCUS, la gasificación del carbón combinada con CCUS en la India podría reducir las emisiones de CO2 en más del 90 por ciento, reducir las importaciones de petróleo de la India y también ofrecer una gama de bienes económicos y flujos de ingresos en los sectores energético y central. Destacan las inversiones en CCUS por parte de China y EE.UU.

Hay 55 políticas relacionadas con CCUS y alrededor de 40 proyectos CCUS de diferentes tamaños y etapas de desarrollo en China. China se encuentra ahora en la etapa de demostración de proyectos CCUS integrados a escala comercial. En 2022, se almacenaron en China 2 millones de toneladas de CO2, con una capacidad de captura anual de 3 millones de toneladas. La sección 45Q del código fiscal de EE. UU. otorga un crédito fiscal basado en el rendimiento a las centrales eléctricas y las instalaciones industriales que capturan y almacenan CO2 que, de otro modo, se emitiría a la atmósfera. El crédito está vinculado a la instalación y uso de equipos de captura de carbono en fuentes industriales, centrales eléctricas de gas o carbón, o instalaciones que eliminarían directamente el CO2 de la atmósfera. En todos los casos, para recibir el crédito, el CO2 debe almacenarse geológicamente o utilizarse como materia prima o componente de productos.

Para la India, el carbón no es solo la principal fuente de energía, sino también una fuente de ingresos y un medio de apoyo social. Coal India Limited (CIL) proporciona empleo a millones para quienes no existe otra alternativa que evitar la tecnología eficiente que mejorará la productividad y la rentabilidad de la empresa; todas las empresas mineras del carbón contribuyen al desarrollo del área local a través de regalías y gravámenes de desarrollo; transporte costoso de carbón subsidios viajes de pasajeros en tren que conectan a los pobres con oportunidades de empleo distantes; el impuesto sobre el carbón es una parte importante del fondo de compensación GST (impuesto sobre bienes y servicios) y las empresas mineras del carbón pagan impuestos; dividendos y otras fuentes de ingresos al gobierno. Irónicamente, la generación de energía a base de carbón también es compatible con su némesis (energía renovable intermitente) con capacidad de aumento cuando sea necesario, absorbiendo costos económicos y técnicos adicionales. Esta red de carbón compleja y elaborada que sustenta el suministro de energía y el apoyo social en la India podría complementarse con CCUS para la descarbonización sin grandes trastornos económicos y sociales.

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