RESUMEN
Las energías pueden describirse como marrones, azules o verdes. Las energías marrones son combustibles fósiles que emiten CO2. Las energías azules emplean tecnologías de captura y almacenamiento de carbono (CAC) para eliminar el CO2 emitido por las energías marrones.
Las energías verdes son energías renovables con emisión nula o baja de CO2. Asimismo, los portadores de energía como la electricidad y el hidrógeno pueden describirse como marrones, azules o verdes si se producen a partir de energía marrón, azul o verde, respectivamente. La transición de una economía de alta intensidad de carbono a una de baja intensidad de carbono requerirá la descarbonización de tres sectores principales: energía, transporte e industria. Al analizar la intensidad del CO2 y el costo nivelado de la energía (LCOE) de la energía y los portadores de energía de diferentes colores, mostramos que las energías renovables se utilizan mejor para reemplazar los combustibles fósiles en el sector eléctrico donde tienen el mayor impacto en la reducción de las emisiones de CO2. Esto consumirá la mayoría de las nuevas incorporaciones a las energías renovables en un futuro próximo. En consecuencia, la descarbonatación de los sectores del transporte y la industria debe comenzar con el uso de electricidad azul, combustibles fósiles azules e hidrógeno azul. Para lograr esto, será necesaria la implementación de proyectos de CAC a gran escala, especialmente fuera de EE.
UU. Y el norte de Europa. Sin embargo, esto no sucederá hasta que los gobiernos nacionales dispongan de importantes incentivos financieros en forma de impuestos al carbono o créditos de carbono. Además, la asociación público-privada y la cooperación intergubernamental ser necesario para implementar estos proyectos de CAC.
Introducción
Desde el comienzo de la Revolución Industrial en 1760, el mundo de la energía ha estado dominado por los combustibles fósiles, primero el carbón, luego el petróleo y el gas. En la actualidad, los combustibles fósiles proporcionan el 85% del consumo energético final mundial (Fig. 1) [1]. Su dominio no ha sido desafiado hasta hace poco.
Cuando se queman, los combustibles fósiles emiten gases de efecto invernadero (GEI) como el dióxido de carbono. La emisión de dióxido de carbono a la atmósfera se correlaciona con el aumento de la temperatura de la superficie de la tierra (Fig. 2). Desde la firma del Acuerdo de París en 2016, prácticamente todas las naciones del mundo se han comprometido a reducir las emisiones de CO2 para limitar el aumento de la temperatura superficial global a menos de 2 ° C en comparación con la época preindustrial. La mayoría de las naciones han establecido objetivos nacionales para 2030, 2050 y más allá. Por ejemplo, Singapur tiene el objetivo de limitar su emisión de CO2 a 65 Mtpa en 2030, reducirla a la mitad a 33 Mtpa para 2050 y lograr cero neto en la segunda mitad del siglo [2].
El propósito de este artículo es discutir la transición del mundo de la energía de uno dominado por combustibles fósiles a otro dominado por energías renovables. Examinaremos el camino para esta transición y cómo será la transición y sus implicaciones en la industria del petróleo y el gas.
El color de la Energía
A los diferentes tipos de energía se les pueden atribuir diferentes colores. Las energías marrones son combustibles fósiles que emiten GEI. Las energías azules se basan en combustibles fósiles, pero utilizan CCS para eliminar el CO2 emitido. Las energías verdes son energías renovables que tienen emisiones de GEI de cero a bajas. Asimismo, los portadores de energía como la electricidad y el hidrógeno pueden describirse como marrones, azules o verdes dependiendo de su fuente de energía (Fig. 3).
Los tres tipos principales de energía marrón son el gas natural, el petróleo y el carbón. En la combustión, el gas natural, el petróleo y el carbón producen 117, 157-161 y 206-229 lb CO2 / MM Btu de energía, respectivamente. Debido a su emisión de CO2 relativamente baja cuando se quema, el gas natural es considerado por muchos como una energía de transición de los combustibles fósiles a las energías renovables.
Los tres tipos de energía se pueden utilizar para generar electricidad o hidrógeno, que son portadores de energía. El hidrógeno se puede generar a partir de gas natural mediante procesos de reformado de metano con vapor (SMR) o reformado autotérmico (ATR).
Alternativamente, se puede generar a partir de petróleo por oxidación parcial (POX) y de carbón por gasificación del carbón. La electricidad azul y el hidrógeno se producen a partir de procesos químicos que utilizan combustibles fósiles pero emplean CCS para eliminar el CO2 emitido. La electricidad verde y el hidrógeno se producen a partir de energías renovables.
Las energías verdes son energías renovables. Se componen de seis tipos principales: solar fotovoltaica (PV), solar térmica, eólica, hidroeléctrica, geotérmica y de biomasa. Un tipo importante de energía solar térmica es la energía solar concentrada (CSP). Enfoca la radiación del sol para calentar un medio de transferencia de calor a una temperatura muy alta.
Este medio calentado convierte el agua en vapor para generar electricidad a través de una turbina. El otro tipo principal de energía es la nuclear. Es una forma de energía química que generalmente se considera no renovable.
El hidrógeno está ganando importancia como portador de energía limpia porque se puede utilizar para generar calor por combustión.
Alternativamente, se puede utilizar para generar electricidad en una pila de combustible. En cualquier caso, no se emite CO2. Además, la energía renovable se puede almacenar como hidrógeno si se utiliza electricidad renovable en la hidrólisis del agua para producir hidrógeno. El hidrógeno, así producido, puede almacenarse en cavernas de sal o recipientes presurizados. El hidrógeno también se puede transportar a usuarios finales nacionales a través de una red de hidrógeno o a usuarios finales en el extranjero.
por cisternas de hidrógeno líquido.
El Panorama
En 2017, solo el 11% del consumo final mundial provino de energías renovables; 85%
provino de combustibles fósiles, y el 4% provino de energía nuclear [5]. LaFigura 4compara la contribución de renovables y no energías renovables al consumo energético final mundial [5]. El consumo de energía se puede dividir en tres sectores: energía, transporte y térmico. En la Fig.4, el sector térmico se define como cualquier cosa fuera del sector de energía y transporte. Incluye industria, agricultura y edificios. Actualmente el 26,4% del poder mundial. El consumo (de electricidad) proviene de energías renovables. Aquí es donde las energías renovables están haciendo contribución más significativa en la reducción de emisiones de CO2. Curiosamente, los países que tienen por encima del promedio. La contribución de las energías renovables al consumo de energía incluye tanto economías avanzadas como Noruega (98%),Corea (73%), Canadá (63%) y economías en desarrollo como Kenia (88%), Laos (86%) y Brasil (74%).
La figura 5 desglosa las emisiones globales de CO2 por sector industrial [6]. Se puede ver que el 41% del CO2 las emisiones provienen de la electricidad y el calor, el 21% del transporte y el 21% de la industria. En consecuencia, la clave a la descarbonización global es descarbonizar estos tres sectores.
Se prefiere el verde
La Figura 6 compara las emisiones de CO2 del ciclo de vida medio para la generación de electricidad para varios tipos de fósiles. combustibles y energías renovables. A excepción de la biomasa, las energías renovables tienen un ciclo de vida bajo en emisiones de CO2. Por kWh de electricidad generada. Esta es la principal razón para usar energías renovables para reemplazar las fósiles. combustibles para la generación de electricidad. Entre las energías renovables, la eólica tiene el ciclo de vida más bajo de emisiones de CO2, mientras que la biomasa moderna tiene la más alta.
También se puede ver en la Fig.7 que si 1 kWh de electricidad generada por energía renovable (excepto por biomasa) se utiliza para reemplazar 1 kWh de electricidad generada por combustible fósil, el ahorro neto de CO2 ascenderá a 0,8 kg, 0,6 kg y 0,4 kg, respectivamente, para la sustitución del carbón, el petróleo y el gas natural.
Sin embargo, si se utiliza 1 kWh de electricidad renovable para generar hidrógeno verde, que luego se utiliza para generación de calor en la industria, producirá aproximadamente 0,8 kWh de energía térmica que reemplaza la misma cantidad de energía térmica por gas natural. Esto equivale solo a un ahorro de CO2 de 0,16 kg CO2 / kWh de electricidad (Fig. 7 7). En consecuencia, la energía renovable tiene el mayor efecto de ahorro de CO2 si se utiliza para reemplazar los combustibles fósiles. para la generación de energía en lugar de reemplazar los combustibles fósiles por la generación de calor [8].
Brown se está retirando: Urgencia de descarbonización
Al establecer su política energética nacional, los gobiernos nacionales consideran los objetivos triples de seguridad energética, asequibilidad y sostenibilidad (Fig. 8). La seguridad energética aborda el acceso a los recursos energéticos; la asequibilidad energética aborda el costo de la energía. La sostenibilidad energética aborda los aspectos de salud, seguridad y medio ambiente de la energía. Los países que importan combustibles fósiles deben diversificar sus proveedores para minimizar el riesgo de interrupción de las importaciones debido a razones climáticas o geopolíticas. Los países que son pobres en recursos de combustibles fósiles están ansiosos por desarrollar sus recursos de energía renovable. Los países que son pobres tanto en combustibles fósiles como en recursos de energía renovable están particularmente expuestos a riesgos de inseguridad energética.
La Figura 9 compara la sostenibilidad energética con la asequibilidad energética para diferentes recursos energéticos. En esta figura, la sostenibilidad energética se mide por la intensidad del CO2, es decir, la cantidad de CO2 emitida por kWh de electricidad generada.
La asequibilidad de la energía se mide por el costo nivelado de la electricidad (LCOE), que tiene en cuenta tanto el costo de capital como el costo operativo de la planta de energía durante toda su vida útil. Puede verse en la Fig. 9 que los combustibles fósiles son generalmente más asequibles que las energías renovables en la generación de energía. Sin embargo, la diferencia de costes es relativamente pequeña para algunas energías renovables.
El costo de una nueva central eléctrica que utilice energía hidroeléctrica, eólica terrestre, solar, biomasa y geotérmica es casi igual al de gas nuevo.
o centrales eléctricas de carbón.
Sin embargo, la intensidad de CO2 de las centrales eléctricas que utilizan energías renovables es mucho menor que las que utilizan combustibles fósiles. En consecuencia, es probable que la mayoría de las centrales eléctricas del futuro se basen en energías renovables para los países que las poseen. Para los países que son pobres tanto en combustibles fósiles como en energías renovables, la solución es descarbonizar sus centrales eléctricas nuevas y existentes mediante CCS o construir centrales nucleares.
Descarbonizando el sector de la energía: la historia de éxito de las energías renovables entre los tres sectores principales (energía, transporte e industria), el sector de la energía es el más fácil de descarbonizar. Los tres métodos para descarbonizar el sector energético son (1) energía nuclear, (2) electricidad azul generada por plantas de energía de combustibles fósiles equipadas con CCS y (3) electricidad verde producida por energías renovables (Fig. 10).
El uso de plantas de energía nuclear es un problema específico de cada país. Parece que muchos países se muestran reacios a agregar capacidad de energía nuclear debido a incidentes muy publicitados como Three Mile Island (1979), Chernobyl (1986) y Fukushima (2011). El doble desafío de la seguridad de las centrales nucleares y el almacenamiento de desechos nucleares es un tema clave de sostenibilidad. Recientemente, se ha renovado el interés por incrementar la inversión en energía nuclear para descarbonizar el sector energético [9]. Es de destacar que los países que tienen más de una cuarta parte de su generación de energía mediante energía nuclear están todos en Europa.
En 2015, alrededor del 23% de la electricidad mundial se genera con energías renovables [10]. Esto da fe de la historia de éxito de las energías renovables. Como se mencionó anteriormente, el mayor uso de energías renovables para proporcionar energía para la generación de electricidad será el uso más rentable de la nueva incorporación de energías renovables y tendrá el mayor impacto en la reducción de las emisiones de CO2 a nivel mundial.
Descarbonizando el sector del transporte: haciendo uso de biocombustibles, electricidad azul y H2 azul La Figura 4 muestra que las energías renovables contribuyen solo al 3.3% del consumo de energía final en el sector del transporte en 2017. Por lo tanto, existe un gran
objetivo para la descarbonización en el sector del transporte. La Figura 11 compara las opciones para descarbonizar el sector del transporte. Se dividen en tres categorías: marrón, azul y verde.
Las opciones marrones son aquellas que reducen la emisión de CO2 (1) aumentando la eficiencia de combustible del vehículo, (2) aumentando la eficiencia de todo el sistema, como vehículo autónomo, uso compartido de automóviles y transporte público, y (3) utilizando modos alternativos de transporte como como bicicleta o caminando. Las opciones azules consisten en movilidad impulsada por electricidad azul o hidrógeno azul. Las opciones ecológicas incluyen impulsar la movilidad mediante biocombustibles (biodiésel y bioetanol), electricidad ecológica o hidrógeno ecológico. La Figura 12 compara el nivel de preparación de la tecnología (TRL) y el potencial de mitigación de CO2 de varias opciones de descarbonización según la estimación del autor.
Estas opciones se pueden clasificar en marrón, azul, verde o una combinación, según la fuente de energía o el portador de energía utilizado. Se puede ver que los biocombustibles y los automóviles eléctricos tienen el mayor potencial de mitigación de TRL y CO2. Si se prueban comercialmente, los vehículos de hidrógeno también pueden tener una contribución significativa a la mitigación de CO2 para la movilidad de larga distancia y de servicio pesado.
Entre las energías renovables, la biomasa es la única que se puede utilizar como combustible para el sector del transporte de forma significativa. El biodiésel y el etanol se pueden utilizar en motores de combustión interna convencionales con poca o ninguna modificación. Brasil y Estados Unidos son los principales productores de etanol por fermentación de caña de azúcar y maíz, respectivamente. En el sudeste asiático, el biodiésel se produce mediante transesterificación de aceite de palma en Tailandia, Indonesia y Malasia. Sin embargo, la tala de bosques tropicales para el crecimiento de cultivos biológicos es un tema de sostenibilidad que debe abordarse.
Dado que solo el 3,3% del consumo de energía en el sector del transporte proviene de energías renovables (Fig. 4), sigue existiendo un gran objetivo de descarbonización en este sector. Como se discutió anteriormente, desde la perspectiva de reducir las emisiones de CO2, las energías renovables se utilizan mejor para la generación de energía. Por tanto, la vía principal para descarbonizar el sector del transporte es el uso de biocombustibles, electricidad azul e hidrógeno azul. La electricidad azul se puede utilizar para alimentar coches eléctricos con batería. Los vehículos de hidrógeno de pila de combustible (FCHV) pueden funcionar con hidrógeno azul.
Descarbonización del sector industrial: el azul lidera el camino El sector más grande y quizás el más difícil de descarbonizar es el sector industrial. Esto incluye industrias como hierro y acero, cemento, fertilizantes, refinación y productos químicos donde se requiere energía térmica.
Tradicionalmente, esta energía térmica es proporcionada por combustibles fósiles. Solo una pequeña fracción de la energía utilizada en este sector proviene de la electricidad, que se puede descarbonizar mediante el uso de electricidad azul o verde.
La Figura 13 enumera las opciones para descarbonizar el sector industrial [11]. Las opciones marrones se pueden dividir además en el lado de la oferta y el lado de la demanda. La principal opción del lado de la oferta es la mejora de la energía de la planta.
eficiencia. Las opciones del lado de la demanda incluyen una mayor eficiencia del material, reducción de residuos, material con bajo contenido de carbono y una economía circular que optimiza el uso de recursos haciendo hincapié en la vida útil prolongada del producto, la reutilización, la remanufactura y el reciclaje [12]. Las otras cuatro opciones son (1) electrificación del calor (mediante electricidad azul o verde), (2) hidrógeno (azul o verde) como combustible o materia prima, (3) CAC y (4) biomasa como combustible o materia prima.
La Figura 14 compara el TRL de varias tecnologías de descarbonización para el sector industrial [11]. Debido a su alto TRL, los biocombustibles son el método preferido. El siguiente es CCS. Sin embargo, existen problemas de sostenibilidad con los biocombustibles como se mencionó anteriormente.
Costo del gas natural azul frente al hidrógeno azul:
Se puede utilizar gas natural azul o hidrógeno azul para generar calor o como materia prima para descarbonizar el sector industrial. La pregunta es cuál es más rentable. Realizamos un estudio comparativo para cinco plantas industriales diferentes: procesamiento de gas natural, fertilizantes, planta siderúrgica, planta de ciclo combinado de gas natural y cemento. En nuestros cálculos, usamos $ 2.6 / Mscf para el costo del gas natural y un costo del hidrógeno azul entre $ 1.2 y $ 2.4 / kg. Además, utilizamos un coeficiente de CO2 de 0,0549 kg CO2 / scf de gas natural quemado [13]. El costo de CCS para estas industrias en EE.UU. se tomó de la literatura publicada [14]. El costo de usar gas natural azul para proporcionar energía térmica a una planta se mide por el precio de compra de 1 Mscf de gas natural y el costo de capturar y almacenar 54,9 kg de CO2 producido. El contenido de calor de 1 Mscf (22,7 kg) de gas natural es igual al de 8,57 kg de hidrógeno. Por lo tanto, comparamos el costo de 1 Mscf del costo del gas natural y el costo de CCS asociado con el de comprar 8.57 kg de hidrógeno azul. Los resultados, que se muestran en la Tabla 1 y la Fig. 15, muestran que para los cinco tipos de plantas industriales consideradas, el gas natural azul es significativamente más barato que el hidrógeno azul. Es importante señalar que el costo de la CAC es específico de la industria debido al costo de captura, purificación y concentración de CO2. El CCS es relativamente económico para el procesamiento de gas natural y la fabricación de fertilizantes. Con el gas natural de hoy costo ($ 2.6 / Mscf), el costo de CCS es menos de la mitad del costo del gas natural. Sin embargo, el costo de CCS es más alto que el del gas natural para las industrias del hierro y el acero, el ciclo combinado de gas natural y el cemento.
El azul es el Camino hacia el verde
Como se discutió anteriormente, en lo que respecta a la descarbonización, el mejor uso de las energías renovables es reemplazar los combustibles fósiles para la generación de energía (Figs. 6-7). En la actualidad, solo el 26% del consumo final total del sector eléctrico lo proporcionan las energías renovables (Fig. 4). En consecuencia, el sector de la energía puede absorber esencialmente todas las nuevas energías renovables durante muchos años. Para ilustrar este punto, vale la pena mencionar que el gobierno alemán planea eliminar gradualmente todas las centrales nucleares y de carbón con una generación eléctrica total de 222 TWh en 2019 [8]. Si esto se va a hacer mediante el uso de una planta de energía renovable recién agregada a una tasa de 10,8 a 15 TWh / año (promedio de los últimos 5 años), tomará entre 15 y 20 años. Este es un tiempo demasiado largo para esperar. En cambio, la descarbonización de los sectores del transporte y la industria debe comenzar ahora mediante el uso de combustible fósil azul e hidrógeno azul.
Otro punto es digno de mención. El costo actual del hidrógeno verde está entre $ 3 y $ 7 / kg, que es más del doble que el del hidrógeno azul ($ 1,4- $ 2,4 / kg). En la actualidad, el hidrógeno verde no es competitivo en costos en comparación con el hidrógeno azul, y mucho menos el gas natural azul.
La importancia del impuesto y el crédito al carbono: Cabe señalar que la descarbonización es para el bien público y no está impulsada por el mercado. Sin incentivos gubernamentales, la descarbonización solo aumentará el costo de hacer negocios para las empresas de energía y productos químicos.
Por lo tanto, no es sorprendente que estas empresas por sí mismas no hayan asumido proyectos de CAC a gran escala, excepto para la recuperación de petróleo mejorada con CO2, donde se pueden obtener ganancias. Por lo tanto, la falta actual de proyectos de CAC a gran escala no se debe a un TRL bajo, sino a la falta de políticas gubernamentales que los incentiven. Las excepciones son el crédito fiscal 45Q mejorado promulgado recientemente por el gobierno de EE. UU. Y el impuesto al carbono relativamente alto en los países del norte de Europa.
La forma más eficaz de acelerar la implementación de combustibles fósiles azules o tecnologías de hidrógeno azul es que los gobiernos introduzcan un impuesto sustancial al carbono o un crédito de carbono del orden de $ 30 / t CO2 como lo han hecho Canadá y algunos países del norte de Europa. En ausencia de esto, es dudoso que se materialice la implementación a gran escala de tecnologías CAC. Es alentador observar que Noruega está en camino de implementar el Proyecto CCS Northern Lights para secuestrar 1.5-5 Mtpa CO2 en un acuífero salino en el Mar del Norte [16]. Este será un proyecto de acceso abierto donde otros países podrán proporcionar el CO2 para secuestro. La implementación de un Proyecto de Luces del Sur similar en la ASEAN sin duda acelerará la adopción de tecnologías de hidrógeno y combustibles fósiles azules en el sudeste asiático. Sin embargo, ambos necesitan asociaciones público-privadas y coordinación intergubernamental.
Largo plazo: Una mezcla de verde y azul
El panorama energético a largo plazo (más de 20 años) será una mezcla de verde y azul. La rápida desaparición de los combustibles fósiles no sucederá como algunos han predicho. Sin embargo, habrá una transición muy necesaria de combustibles fósiles marrones (que emiten CO2) a combustibles fósiles azules (que emiten casi cero CO2) mediante el uso de CCS tecnologías. Concomitante con esto es el desarrollo de tecnologías de hidrógeno azul donde nuevamente CCS será la tecnología habilitadora clave. Las energías renovables jugarán un papel más importante en la sustitución de los combustibles fósiles en la generación de electricidad. En los sectores del transporte y la industria, los combustibles fósiles azules y el hidrógeno azul dominarán el panorama para décadas por venir hasta que haya suficiente
hidrógeno verde para descarbonizar completamente el sector energético y estén disponibles para suministrar calor y materias primas para los sectores del transporte y la industria.
La duración de la transición de una economía marrón a una verde dependerá en gran medida de las políticas gubernamentales sobre mitigación de carbono. En la actualidad, parece haber una falta de voluntad por parte de muchos gobiernos para introducir un importante impuesto al carbono o crédito de carbono. Para cumplir con el Acuerdo de París, es imperativo que los gobiernos actúen rápidamente para incentivar a las empresas a que se sometan a proyectos de CAC a gran escala para secuestrar millones de toneladas de CO2 por año.
Conclusiones
Las siguientes conclusiones pueden extraerse de nuestro estudio.
1. La energía puede describirse como marrón, azul o verde. Las energías marrones provienen de los combustibles fósiles. Azul las energías provienen de combustibles fósiles pero utilizan tecnologías CCS para capturar y almacenar permanentemente las emisiones CO2. Las energías verdes provienen de energías renovables como la solar fotovoltaica, termosolar, eólica, hidráulica, biomasa y geotermia.
2. La transición de una economía de alta a baja intensidad de carbono requerirá descarbonizar tres sectores: energía, transporte e industria. De estas, las energías renovables tienen el mayor impacto en el sector. Esto se debe en parte a que el LCOE de las plantas de energía renovable es comparable al de las plantas fósiles. plantas de energía de combustible.
3. Además, las energías renovables tienen un mayor efecto de ahorro de CO2 cuando se utilizan para reemplazar los combustibles fósiles para generación de energía en lugar de utilizarse para producir hidrógeno con fines de calefacción en la industria del sector.
4. Además de los biocombustibles, la vía para descarbonizar el sector del transporte dependerá en gran medida del uso de electricidad e hidrógeno azul. Investigación y desarrollo sobre movilidad alimentada únicamente por electricidad o el hidrógeno están progresando significativamente.
5. Las vías para descarbonizar el sector industrial depende del uso de combustibles fósiles azules y combustibles azules hidrógeno, siendo el primero significativamente más barato que el segundo.
6. Por lo tanto, la implementación a gran escala de proyectos de CAC será necesaria para descarbonizar la economías mundiales y el cumplimiento de las obligaciones del Acuerdo de París.
7. Una clave para lograrlo es que los gobiernos introduzcan un importante impuesto al carbono para las emisiones de CO2. o crédito de carbono por almacenamiento de CO2.
Además, la asociación público-privada y la intergubernamental será necesaria la cooperación para ejecutar proyectos transnacionales de CAC a gran escala.
Reconocimiento
El autor agradece el apoyo financiero de la beca del programa de Cátedra de Petróleo otorgada a la Universidad Nacional de Singapur por la Junta de Desarrollo Económico de Singapur y el IAF-PP subvención de la Agencia de Ciencia, Tecnología e Investigación (A * STAR), Singapur (Proyecto A18B4a0094, titulado: Tecnologías avanzadas de partículas poliméricas funcionales para la industria del petróleo y el gas).
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