Residuos vegetales para descarbonizar el transporte de mercancías

El transporte y la producción de energía son dos de los sectores más contaminantes. Su fuente de energía sigue dependiendo de los combustibles fósiles, que son limitados y perniciosos. El transporte es responsable del 30% de las emisiones de dióxido de carbono. En el CSIC, equipos de investigadores están desarrollando procesos químicos basados en la catálisis (aceleración y dirección de reacciones químicas) para, por un lado, reciclar el CO2, y, por otro, mejorar la obtención de biocombustibles líquidos a partir de biomasa (residuos vegetales).

“A pesar de que el transporte de pasajeros en coche se electrificará con baterías en los próximos años, para que otros medios de transporte -como el de mercancías, marítimo y aviación a larga distancia- contribuyan a la descarbonización, se necesita desarrollar combustibles líquidos renovables, no contaminantes, compatibles con los motores existentes y a un precio competitivo”, explica el investigador del CSIC Gonzalo Prieto, del Instituto de Tecnología Química (ITQ-UPV-CSIC).

Prieto dirige dos proyectos para obtener biocombustible: Redifuel, dirigido al transporte pesado por carretera (camiones), e Idealfuel, para el transporte marítimo, ya sea de mercancías o personas. Los dos proyectos suman un presupuesto de casi 10 millones de euros financiados por el programa Horizonte 2020 de la Comisión Europea.

Esta investigación avanza en sintonía con el ambicioso plan de la Comisión Europea, lanzado en diciembre de 2020, para reducir un 90% el CO2 del transporte para 2050. El plan, denominado Estrategia para una Movilidad Inteligente y Sostenible, es una pieza clave del Pacto Verde Europeo (Green Deal), una gran batería de medidas energéticas y medioambientales para que la UE alcance la neutralidad climática en 2050. La idea es que, para ese año como muy tarde, las emisiones netas de CO2 se hayan reducido a cero.

En el CSIC, varios equipos realizan investigación básica financiada con fondos europeos para lograr nuevos materiales y procesos químicos que contribuyan a la descarbonización de la industria y el transporte. La institución participa en más de 40 investigaciones internacionales en el campo de la energía sostenible. Son investigaciones que abarcan desde el desarrollo de baterías recargables a base de calcio, a sistemas de captura de CO2, pasando por la gestión de residuos y el uso de nanoarquitecturas 3D capaces de convertir luz en corriente eléctrica.

El mencionado equipo de Gonzalo Prieto en el ITQ estudia cómo mejorar la calidad del proceso químico que proporciona la energía a los vehículos. Su grupo trabaja en la obtención de nuevos combustibles renovables. Desarrollan catalizadores, materiales que aceleran y dirigen reacciones químicas, para transformar la biomasa lignocelulósica (residuos vegetales) y convertirla en un carburante líquido sostenible.

Su investigación se centra en procesos que logren producir las moléculas adecuadas en cuyos enlaces químicos se encuentra almacenada más energía y en menos volumen que en las baterías, un aspecto por el que los carburantes son hoy más eficientes en transportes pesados y de larga distancia. Además, los biocarburantes obtenidos son menos contaminantes. “Los combustibles resultantes son renovables, pues su combustión en los vehículos sólo devuelve a la atmosfera un CO2 que la propia biomasa ya había retirado de la atmósfera para crecer. La emisión neta es casi nula”, explica Prieto.

El uso de estos carburantes líquidos alternativos tiene dos grandes ventajas: reduce las emisiones de inquemados (la materia combustible que ha quedado sin quemar o parcialmente quemada, y que muestra que la combustión es ineficaz y no se ha aprovechado bien el combustible) y reduce también la emisión del material particulado (nanopartículas de carbono), causantes de diversas enfermedades.

La mejora que estudia el equipo de Prieto radica en la regulación del contenido y la calidad del oxígeno que contienen las moléculas que conforman los carburantes renovables, que da lugar a un quemado o combustión más eficiente en los motores de camiones y barcos. En conjunto, reduciría los niveles de contaminación atmosférica global, al eliminar las emisiones de CO2 y también local, al reducirse las emisiones indeseadas de los motores.

En el proyecto Redifuel (para transporte terrestre), la biomasa se fracciona y su carbono se almacena en una molécula simple (monóxido de carbono) y en una mezcla de gases denominada biogás de síntesis, que se usa para construir las moléculas más complejas del biocombustible, explica Prieto. “El resultado de esta innovación en catálisis es un proceso que da lugar a un biocombustible diésel de alta calidad de combustión, que cumple con la exigente normativa europea EN590 para carburantes diésel, y puede emplearse en la flota de camiones existente sin necesidad de modificaciones”, añade.

En cambio, en el proyecto Idealfuel (para transporte marítimo), Prieto, en colaboración con el equipo de Marcelo Dómine, colega en el ITQ, diseñan un proceso catalítico que ‘desmonta’ la lignina (la fracción de biomasa menos valiosa) para que el combustible obtenido tenga las propiedades de fluido requeridas para el sector marítimo.

“En cooperación con empresas de Suiza (Bloom) y Holanda (Vertoro) que logran extraer de manera eficiente la lignina de diferentes materias primas, perseguimos valorizar esta fracción de la biomasa en fluidos renovables que puedan aplicarse como sustitutos de los carburantes marinos tipo bunker: fluidos de origen fósil, poco refinados, muy viscosos y altamente contaminantes”, detalla Prieto.

El proceso catalítico que plantea el equipo del ITQ requiere un consumo mínimo de hidrógeno, solo el necesario para convertir el reactivo de partida, que es sólido, en un fluido con unas propiedades de viscosidad y contenidos en oxígeno y energía por unidad de masa que mimetizan los poco refinados carburantes bunker para motores marítimos.

El origen renovable, bajo coste añadido y ajustado contenido en oxígeno (que reduce la producción de inquemados y partículas) del biocarburante resultante pretende reducir las emisiones indeseadas asociadas al sector marítimo, tradicionalmente muy contaminante.

Aunque se extienda la electrificación de los automóviles particulares, el sector del transporte pesado, por tierra y mar, seguirá necesitando combustibles líquidos (como los biocombustibles), que permiten mayor energía de propulsión por unidad de peso (densidad energética) y coste marginal, y que son difícilmente alcanzables por baterías eléctricas o combustibles alternativos como el hidrógeno, que no son líquidos en condiciones ambientales.

La propuesta de este instituto también analiza los factores tecno-económicos. “Trabajamos en mejorar la competitividad económica de la producción de biocombustible para poder competir con los combustibles derivados del petróleo”, indica Prieto. “La UE es pionera en las regulaciones que están promoviendo el uso de biocombustibles como estos”, apunta. Además, estos nuevos carburantes se diseñan para encajar con las leyes y son compatibles con los vehículos que ya circulan para que su introducción no requiera un cambio de la flota de camiones y barcos. Ambos proyectos están ensayando estas tecnologías a nivel piloto (pre-industrial)

Aprovechar el CO2 para obtener biocombustible

La mayor parte de las emisiones de CO2 provienen de la producción de energía. Los investigadores estudian la descarbonización de estos procesos industriales, intentando eliminar y reutilizar el CO2 emitido. Fernando Rey y Pascual Oña Burgos, del ITQ, dirigen el proyecto internacional Laurelin, dotado con casi cinco millones de euros del programa H2020, que busca mejorar el proceso por el que se obtiene metanol, un tipo de biocombustible.

“Perseguimos usar el metanol como vector energético, es decir, como transportador de energía capaz de utilizar el hidrógeno que proviene de la electricidad”, explica Rey. “Usaremos energía eléctrica para transformar CO2 e hidrógeno y obtener metanol”, detalla Rey. En el proyecto participan ocho instituciones europeas y dos japonesas, además de centros de investigación y académicos, y pymes.

Mediante este proceso, el CO2 sirve tanto para obtener biocombustible como también productos químicos renovables y muy útiles para el sector industrial.  “Buscamos una descarbonización dual: dar valor al CO2 emitido y reducir la demanda energética del proceso”, explica Pascual Oña Burgos. “Se trata de capturar el CO2 y convertirlo en algo que podamos utilizar, como por ejemplo metanol, una molécula plataforma a partir de la que se pueden producir otros productos químicos”, subraya. Este proceso requiere que el hidrógeno utilizado provenga de fuentes renovables, como la solar o la eólica, es decir, que sea hidrógeno verde.

Estos catalizadores se estudiarán en tres procesos complementarios, “mediante calentamiento térmico convencional, con plasma de baja temperatura y con inducción magnética”. Estas tres tecnologías suponen una mejora en el uso de los recursos energéticos, lo que es clave para poder llevar a cabo la valorización de CO2 de manera sostenible.

Un modelo para ensayar el futuro energético

La transición energética desde el actual modelo basado en combustibles fósiles (limitados y perniciosos) hacia uno basado en energías renovables es un proceso muy complejo. Una nueva herramienta informática diseñada por investigadores del CSIC permite simular cómo se desarrollará esta transición. Se trata del proyecto Medeas, liderado por Jordi Solé, investigador de la Universitat de Barcelona que puso en marcha el estudio en 2016 desde el Instituto de Ciencias del Mar (ICM) del CSIC, financiado con casi cuatro millones de euros de la UE.

“Esta transición pretende lograr algo que jamás se ha hecho en la historia de la sociedad industrializada: sustituir un combustible por otro”, añade Solé. “Si seguimos como ahora será un desastre asegurado en no más de una década y lo más acuciante no es tanto el cambio climático sino la falta de recursos”, augura.

Su modelo informático prevé la evolución del sector energético en Europa, teniendo en cuenta las restricciones físicas y sociales. Desarrollada en 2019, la herramienta se utiliza varias iniciativas locales que ya se han iniciado en Cataluña.

“El modelo sigue vigente, ya que es de código abierto y cualquiera puede utilizarlo y readaptarlo a diferentes situaciones. Lo que consigue el modelo es evaluar escenarios de transición, con proyecciones hasta el año 2050, con variables como las emisiones, los recursos necesarios, la evolución del PIB, y busca alternativas para la incorporación de las energías renovables·, señala Solé.

“Básicamente, te dice si los recursos de los que dispone una comunidad o un país son buenos hacia el modelo de transición energética que exigen la UE y los Acuerdos de París”, añade Solé.

Los investigadores han desarrollado tres escenarios, basados en 35 sectores socio económicos, para lograr la transición a una economía baja en carbono considerando los límites disponibles, es decir, limitar el calentamiento global por debajo de los 2°C respecto a los niveles preindustriales y lograr el objetivo de la UE de reducción de las emisiones anuales absolutas de CO2 en un 80 %.

El primer escenario sigue las tendencias históricas, el segundo propone un ligero aumento del uso de energías renovables y el último implementa los esfuerzos máximos que se podrían hacer para conseguir el objetivo de 2050 y muestra que así se estabiliza la economía y que se reducen drásticamente las emisiones.

Las principales conclusiones de la investigación Medeas indican que será necesario recurrir a un número creciente de recursos biofísicos para desarrollar más fuentes de energía renovables. “El nivel actual de implementación de fuentes de energía renovable en la UE no es suficiente para alcanzar una economía libre de carbono para el año 2050 y será imprescindible garantizar una capacidad de almacenamiento suficiente para la estabilidad del suministro de dichas fuentes de energía”, indica Solé. En definitiva, se tendrá que cambiar el modelo socioeconómico instalado desde la revolución industrial al mismo tiempo que se reduce la dependencia de los combustibles fósiles.