Alternativas de Combustible – Cómo la Luz Puede Ayudar a Reutilizar el Dióxido de Carbono

Una de las principales causas del cambio climático es el dióxido de carbono (CO2). Un importante gas de efecto invernadero, el CO2 es el resultado de la combustión de combustibles fósiles (como el petróleo, el carbón y el gas natural). También se produce de forma natural a través de la respiración humana, la respiración de las plantas y las erupciones volcánicas.

Los incendios forestales son otra razón prominente para emitir CO2, con un estimado de 2.170 millones de toneladas métricas liberadas en 2023 solo.

Un nuevo estudio ha encontrado que las emisiones de CO2 de los incendios forestales han aumentado en realidad un 60% a nivel global en los últimos 23 años.

Liderado por la Universidad de East Anglia (UEA), el estudio agrupó áreas del mundo en ‘piromas’, que son regiones donde los patrones de incendios forestales están afectados por controles climáticos, humanos y ambientales similares.

Con eso, el estudio examinó las diferencias entre incendios forestales y no forestales, lo que revela los factores clave que impulsan los recientes aumentos en la actividad de incendios forestales. 

Según el estudio, la emisión de CO2 de los incendios en uno de los piromas más grandes casi se triplicó entre 2001 y 2023. Estos piromas, que cubren bosques boreales en Eurasia y América del Norte, tienen algunos de los bosques boreales del norte más sensibles al clima.

Se han visto aumentos significativos más ampliamente en los bosques extratropicales, lo que suma medio millón de toneladas de dióxido de carbono cada año. El epicentro de las emisiones de CO2 también se está moviendo hacia los trópicos, alejándose de los bosques tropicales.

El aumento de las emisiones se ha asociado con un aumento en el clima favorable a los incendios, como condiciones calientes y secas vistas durante las olas de calor y las sequías. Además, los aumentos en las tasas de crecimiento de los bosques han llevado a más combustibles vegetales. Estas tendencias están respaldadas por el aumento de las temperaturas en las latitudes septentrionales, lo que ocurre a 2 veces la tasa a la que está sucediendo a nivel global. 

No solo ha habido un aumento sustancial en la extensión de los incendios forestales, sino que su gravedad también ha aumentado en las últimas dos décadas. 

La tasa de combustión de carbono, que mide la gravedad del incendio en función del carbono emitido por unidad de área quemada, aumentó en un 50% en los bosques de todo el mundo durante este período. Según el autor principal, el Dr. Matthew Jones, del Centro Tyndall para la Investigación del Cambio Climático de la UEA:

“Los aumentos en la extensión y la gravedad de los incendios forestales han llevado a un aumento dramático en la cantidad de carbono emitido por los incendios forestales a nivel global. Los cambios sorprendentes en la geografía global de los incendios también están en marcha, y están explicados principalmente por los crecientes impactos del cambio climático en los bosques boreales del mundo”.

El Impacto de los Incendios Forestales en los Esfuerzos de Secuestro de Carbono

Científicos de todo el mundo se reunieron para el nuevo estudio y advirtieron que, para evitar el crecimiento continuo de los incendios forestales, debemos abordar las principales razones del cambio climático.

“Para proteger los ecosistemas forestales críticos de la amenaza creciente de los incendios forestales, debemos mantener el calentamiento global a raya, y esto subraya por qué es tan vital hacer progresos rápidos hacia las emisiones netas cero”.

– Dr. Jones, un becario de investigación independiente de la NERC

Los bosques mismos juegan un papel crucial en el cumplimiento de los objetivos climáticos internacionales. Después de todo, ayudan a eliminar el CO2 de la atmósfera actuando como sumideros de carbono.

La forma en que funciona es que los bosques absorben dióxido de carbono de la atmósfera y lo almacenan en forma de biomasa, madera muerta, hojarasca y suelos, lo que se llama secuestro de carbono, y reduce las tasas de calentamiento global. 

Como tal, los gobiernos de todo el mundo han introducido programas de reforestación y afforestación para compensar las emisiones de CO2 humanas, especialmente de sectores como la aviación y ciertas otras industrias. El éxito de estos programas, sin embargo, depende del almacenamiento permanente de carbono en los bosques, que está amenazado por los incendios forestales.  

Con incendios extratropicales que ya emiten medio millón de toneladas más de CO2 de lo que lo hacían en 2001 y el efecto a largo plazo que depende de la recuperación de los bosques, los incendios forestales más generalizados y graves ponen las emisiones fuera de equilibrio con el carbono capturado por la recuperación posterior al incendio. El Dr. Jones dijo:

“La tendencia pronunciada hacia mayores emisiones de incendios forestales extratropicales es una advertencia de la creciente vulnerabilidad de los bosques, y plantea un desafío significativo para los objetivos globales para abordar el cambio climático”.

También afirmó que, después de incendios graves, los bosques son conocidos por recuperarse mal. Como tal, debemos prestar mucha atención a cómo el aumento en la gravedad de los incendios afectará el almacenamiento de carbono de los bosques en los próximos años. 

En medio de todo esto, ha habido una reducción en la quema de sabanas y pastizales tropicales, con estudios anteriores que muestran que, desde 2001, el área quemada por incendios forestales y no forestales ha disminuido en un cuarto a nivel global. 

Frente a este telón de fondo de reducción de la quema en pastizales y sabanas, el estudio, según sus autores, muestra que los incendios siguen ocurriendo cada vez más donde no deberían, es decir, los bosques han estado enmascarando el aumento en la extensión y la gravedad de los incendios forestales. Esto presenta “la mayor amenaza para las personas y para los sumideros de carbono vitales”, dijo el Dr. Jones.

Estas nuevas observaciones se descubrieron con la ayuda del aprendizaje automático, que se utilizó para agrupar las regiones ecológicas de los bosques en 12 piromas diferentes. Como compartimos recientemente, los modelos de inteligencia artificial se están utilizando ampliamente para detectar incendios forestales temprano. El tremendo potencial de la inteligencia artificial y el aprendizaje automático se está mejorando con la creciente base de datos de ocurrencia de incendios.  

En el nuevo estudio, el uso de inteligencia artificial para agrupar permitió a los científicos aislar los efectos del cambio climático de otros factores como la productividad de la vegetación y el uso de la tierra. Además, comprender qué está causando incendios en estos diferentes piromas es importante para desarrollar estrategias eficientes para predecir y mitigar los incendios forestales y proteger los bosques.

“Se requiere una financiación sustancial para apoyar programas estratégicos de gestión de bosques, participación de partes interesadas y educación pública, todos los cuales representan un cambio significativo en la estrategia de gestión de incendios de principalmente reactivo a proactivo”.

– Dr. Jones

Un Nuevo Frente: Convertir CO2 en Productos Valiosos

Además del secuestro de carbono, otra forma de mitigar los efectos negativos del CO2 en el medio ambiente es convertirlo en productos valiosos. 

Esto incluye convertir CO2 en nanofibras de carbono, que se pueden utilizar para fortalecer materiales de construcción, combinándolo con hidrógeno para producir combustibles como metano, metanol, gasolina y combustibles para aviación, y convertir CO2 en productos químicos y otros productos como fármacos, aditivos alimentarios y fragancias. 

Un nuevo estudio mejoró esta conversión de CO2 en productos valiosos combinando luz visible y electroquímica.

Al hacerlo, el equipo descubrió un descubrimiento sorprendente de que la luz visible mejoró considerablemente la selectividad, que es un atributo químico importante. Este descubrimiento abre nuevos caminos para la conversión de CO2 y muchas otras reacciones químicas que se utilizan en la investigación de la catálisis y la fabricación de productos químicos. 

Convertir el CO2 en un portador de energía en lugar de residuos o emisiones a través del reciclaje es una excelente manera de reducir el cambio climático. Aquí, el dióxido de carbono se convierte en combustibles, productos químicos, materiales y energía térmica. 

Algunas formas en que se recicla el CO2 incluyen la fotosíntesis artificial, un proceso en el que se utiliza la energía solar para sintetizar productos químicos utilizando CO2 como materia prima. Luego, está la conversión electroquímica, donde se utiliza electricidad para convertir CO2 en productos químicos como etanol, ácido acético o ácido fórmico. 

El nuevo estudio utilizó la reducción electroquímica para reciclar el dióxido de carbono en productos valiosos. En este proceso, Prashant Jain, un profesor de química de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, explicó que un flujo de gas CO2 pasa a través de una celda de electrólisis que descompone el dióxido de carbono y el agua en monóxido de carbono tóxico (CO) e hidrógeno. Estos nuevos gases pueden utilizarse para crear nuevos productos de hidrocarburos.

Sin embargo, Jain señala que esta reacción es bastante lenta, y necesitamos electrodos grandes para este proceso. Estos electrodos contienen mucha materia prima de catalizador costosa como cobre o oro.

Dadas estas obstrucciones, Jan, junto con su ex estudiante de posgrado Francis Alcorn, se dispuso a buscar formas de acelerar el proceso que requiriera menos material de catalizador, lo que lo haría “una opción más viable para la industria de combustibles alternativos”.

Utilizando la Luz Visible para Mejorar la Eficiencia de Conversión de CO2

Bajo el nuevo método, el equipo combinó luz visible con electrodos que están cubiertos con partículas extremadamente pequeñas de aleación de oro y cobre. Esto permite la reducción de CO2 a una tasa aumentada y una selectividad más controlada en comparación con los métodos convencionales. 

Jain explicó que:

“(Los nuevos electrodos) actúan como pequeñas antenas que buscan fotones en el rango de luz visible y los acoplan con la vía de reacción química”.

Para mejorar la conductividad de estos electrodos, el equipo los sumergió en una solución de agua, CO2 y un electrolito. Luego aplicaron un voltaje a través del electrodo mientras su superficie estaba iluminada con un láser de luz visible.

Esto resultó en una reacción que produjo rápidamente hidrógeno a partir de la división de moléculas de agua y monóxido de carbono, que proviene de la división del dióxido de carbono.

Mientras el equipo estaba “muy emocionado” de presenciar el salto en la productividad al utilizar la luz visible, lo que no se esperaba fue que la luz visible tuviera un impacto tan grande en la selectividad química — lo que Jain dijo “es el avance importante aquí”.

Ahora, ¿qué es esta selectividad aquí? Bueno, en la catálisis, la selectividad química es la capacidad de una reacción química para favorecer un tipo de molécula o vía sobre otra. 

En este estudio en particular, se encontró que una reacción de división de agua que forma gas hidrógeno se vio favorecida selectivamente por el uso de luz. Jain dijo:

“Los resultados sugieren que la luz visible ofrece una oportunidad única para ajustar la relación de monóxido de carbono a gas hidrógeno producido, un factor crucial para la producción industrial de gas sintético. Este hallazgo allana el camino hacia un futuro energético más sostenible y eficiente”.

Dicho esto, el profesor señaló que utilizar la luz para mejorar las reacciones químicas no está exento de controversia, dado que la luz también trae calor con ella. Así que esto requirió que el equipo realizara experimentos de control y realizara mediciones cuidadosas para determinar si era el efecto de calentamiento de la luz lo que causaba tasas de reacción y selectividad más rápidas.

Lo que hizo el equipo para determinar esto fue que realizaron experimentos con el láser y sin él a la misma temperatura producida por la excitación de la luz. Esto les ayudó a descartar el calentamiento como el factor responsable.

El equipo encontró que, de hecho, fueron los campos eléctricos y el flujo de carga dirigido creado por la excitación de la luz lo que fue responsable del aumento en la productividad y la selectividad mejorada de la división de agua.

Ahora, avanzando, el equipo todavía tiene desafíos que superar. Esto incluye el uso repetido de nanopartículas basadas en electrodos, lo que llevará a la degradación con el tiempo, especialmente al escalar el método para aplicaciones industriales.

El equipo también tiene que investigar y mejorar la eficiencia energética general del proceso y la gestión de la luz.

“(En general) lo que encontramos en este estudio presenta formas completamente nuevas de pensar sobre la electroquímica y la catálisis”.

– Jain

Después de todo, el uso de la luz ha mejorado la actividad del catalizador, pero más importante y sorprendentemente, ha permitido cambiar la selectividad, lo que desbloqueará nuevas vías químicas que producirán diferentes productos. Esto significa que la reducción de CO2 o la división de agua es solo el comienzo; el método también se puede aplicar a muchas otras reacciones catalíticas que son importantes para la industria química.

Empresas Involucradas en la Reducción y Conversión de CO2

La creciente gravedad y devastación causadas por los incendios forestales han llevado a avances en los métodos de protección contra incendios, como hidrogeles biomiméticos activables por calor. Sin embargo, también hay un interés creciente en reducir y reutilizar las emisiones de CO2. Esta reutilización implica transformar el dióxido de carbono, un importante contribuyente al cambio climático, en productos útiles como combustibles, productos químicos y materiales de construcción. 

Las empresas a la vanguardia de estos esfuerzos están combinando tecnologías de vanguardia para abordar los desafíos ambientales y económicos planteados por las emisiones de CO2.

Esto incluye Chevron Corporation (CVX ) (CVX), FuelCell Energy (FCEL ) (FCEL), y Occidental Petroleum (OXY ). Mientras que Chevron invierte en tecnologías de captura de carbono, FuelCell Energy se centra en soluciones de energía limpia, y Occidental participa en la tecnología de captura de aire directa (DAC) para eliminar CO2 de la atmósfera y convertirlo en productos utilizables.

Air Products and Chemicals (APD ) es otra empresa que participa en la producción de hidrógeno y tecnologías de conversión de CO2. Con una capitalización de mercado de $73.44 mil millones, las acciones de APD se negocian actualmente a $330.37, después de un aumento del 20.66% en su precio hasta la fecha. Esto sitúa la capitalización de mercado de APD en $73.44 mil millones, mientras que tiene un EPS (TTM) de 8.34, un P/E (TTM) de 14.47 y un rendimiento de dividendos del 3.15%. 

Ahora, veamos con más detalle a otro importante actor en la reducción de carbono:

ExxonMobil (XOM )

Esta corporación multinacional estadounidense de petróleo y gas, que es el descendiente directo más grande de la Standard Oil de John D. Rockefeller, tiene un interés creciente en las tecnologías de captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS) para reducir las emisiones de CO2.

La red de CCS de ExxonMobil implica la operación de la red de tuberías de CO2 de 1.500 millas de largo en los EE. UU. También tiene múltiples sitios de almacenamiento estratégicamente ubicados a lo largo de la costa del Golfo de los EE. UU.

A través de ExxonMobil Low Carbon Solutions, la empresa juega un papel importante en llevar la tecnología de captura y almacenamiento de carbono a escala. Afirma tener una capacidad de captura actual de 9 millones de toneladas métricas por año, una captura acumulada de 120 millones de toneladas hasta la fecha y una participación general del 40% de todo el CO2 producido por humanos capturado, según las cifras del sitio web oficial de ExxonMobil.

La empresa ha colaborado con Mitsubishi Heavy Industries (MHI) para permitir soluciones integrales de captura de CO2 post-combustión. La solución proporciona soluciones completas de captura, transporte y almacenamiento de carbono.

La empresa también está ejecutando un proyecto piloto para utilizar gas, que de otro modo se quemaría debido a la falta de tuberías, de sus pozos petroleros en Dakota del Norte para alimentar operaciones de minería de Bitcoin. Para esto, ExxonMobile se asoció con Crusoe Energy Systems, que aprovecha recursos de energía residuales para tomar gas de sus pozos petroleros y alimentar generadores móviles utilizados para operaciones de minería de Bitcoin. La empresa espera que sus planes de reducción de emisiones logren la eliminación de la quema rutinaria de gas para 2030.

En el momento de la redacción, sus acciones se negocian a $119.94 después de un aumento del 20.72% en su precio hasta la fecha. Esto sitúa la capitalización de mercado de ExxonMobil en $536.2 mil millones, mientras que tiene un EPS (TTM) de 8.34, un P/E (TTM) de 14.47 y un rendimiento de dividendos del 3.15%. 

Para el segundo trimestre de 2024, la empresa informó ganancias de $9.2 mil millones, lo que, según la empresa, muestra las “fortalezas diferenciadas del portafolio de ExxonMobil y su mayor poder de generación de ganancias”. También amplió su propuesta de valor al avanzar en el liderazgo en captura y almacenamiento de carbono con un nuevo acuerdo que aumentó su volumen total de CO2 comprometido a 5,5 millones de toneladas métricas por año. Esto , según ExxonMobil, es más “volumen comprometido que cualquier otra empresa haya anunciado”. Sus resultados financieros del tercer trimestre de 2024 se publicarán el 1 de noviembre.

Conclusión

Con miles de millones de toneladas de CO2 liberadas a la atmósfera cada año, ha estado resultando no solo en el cambio climático, que conduce a eventos climáticos más extremos, sino también en peligros para la salud y la acidificación de los océanos que ponen en peligro la vida marina y los arrecifes de coral.

A medida que la crisis climática se intensifica, se ha vuelto crucial que abordemos el grave problema de las crecientes emisiones de CO2 para reducir el calentamiento global y sus consecuencias catastróficas. Los incendios forestales, impulsados por el cambio climático, están liberando niveles sin precedentes de dióxido de carbono, lo que acelera aún más el problema. Mientras que los programas de reforestación y afforestación son vitales para compensar las emisiones, la amenaza de los incendios forestales es grande, lo que hace que las estrategias de gestión de incendios proactivas sean esenciales.

Las soluciones innovadoras, como la reducción electroquímica de CO2 y el uso de luz visible para mejorar las reacciones catalíticas, ofrecen soluciones prometedoras para reutilizar las emisiones de carbono dañinas en productos valiosos como combustibles sintéticos y productos químicos industriales.

Estos avances, aunque aún están en desarrollo, representan el potencial de mitigar el cambio climático al transformar el CO2 de un contaminante global en un recurso para el futuro. A medida que las empresas continúan invirtiendo en tecnologías de captura de carbono y combustibles alternativos, nos acercamos a una solución sostenible que podría reformar el panorama energético.

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