Combustibles Alternativos – Cómo la Luz Puede Ayudar a Reutilizar el Dióxido de Carbono

Una de las mayores 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 ocurre de forma natural a través de la respiración humana, la respiración de las plantas y las erupciones volcánicas.

Los incendios forestales son otra razón destacada de emisión de CO2, con una estimación de 2.170 millones de toneladas métricas liberadas solo en 2023.

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

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

Con ello, el estudio analizó las diferencias entre incendios forestales y no forestales, lo que revela los factores clave que impulsan el reciente aumento de la actividad de incendios forestales. 

Según el estudio, la emisión de CO2 de los incendios en uno de los piro‑mes más grandes casi se triplicó entre 2001 y 2023. Estos piro‑mes, que cubren bosques boreales en Eurasia y Norteamérica, albergan algunos de los bosques boreales del norte más sensibles al clima.

Se han observado aumentos significativos de forma más amplia en los bosques extratropicales, sumando medio mil millones de toneladas adicionales de dióxido de carbono cada año. El epicentro de las emisiones de CO2 también se está desplazando hacia los extratropicos, alejándose de los bosques tropicales.

El aumento de las emisiones se ha asociado con un incremento de condiciones climáticas favorables al fuego, como el calor y la sequedad observados durante olas de calor y sequías. Además, el mayor ritmo de crecimiento forestal ha generado más combustible vegetal. Estas tendencias están respaldadas además por el aumento de temperaturas en las altas latitudes del norte, que ocurre al doble de la velocidad que a nivel global. 

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

La tasa de combustión de carbono, que mide la severidad del incendio basándose en el carbono emitido por unidad de área quemada, se disparó hasta en un 50 % en los bosques a nivel mundial durante este período. Según el autor principal, el Dr. Matthew Jones del Tyndall Centre for Climate Change Research de la UEA:

“Los aumentos tanto en la extensión como en la severidad de los incendios forestales han provocado un aumento dramático de la cantidad de carbono emitido por los incendios forestales a nivel mundial. También se están produciendo cambios sorprendentes en la geografía global de los incendios, y se explican 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 unieron para el nuevo estudio y advirtieron que, para evitar el continuo crecimiento de los incendios forestales, debemos abordar las principales causas del cambio climático.

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

– Dr. Jones, investigador independiente del NERC

Los propios bosques juegan un papel crucial para alcanzar los objetivos climáticos internacionales. Después de todo, ayudan a eliminar CO2 de la atmósfera actuando como sumideros de carbono.

Así funciona: los bosques absorben dióxido de carbono de la atmósfera y lo almacenan en forma de biomasa, madera muerta, hojarasca y suelos, lo que se denomina secuestro de carbono, y reduce la tasa de calentamiento global. 

Por ello, los gobiernos de todo el mundo han introducido programas de reforestación y forestación para compensar las emisiones humanas de CO2, especialmente de sectores como la aviación y otras industrias. Sin embargo, el éxito de estos programas depende del almacenamiento permanente de carbono en los bosques, los cuales están amenazados por los incendios forestales.  

Con los incendios extratropicales ya emitiendo medio mil millones de toneladas más de CO2 que en 2001 y el efecto a largo plazo dependiendo de la recuperación de los bosques, los incendios forestales más extensos y severos desequilibran las emisiones con el carbono capturado por la recuperación post‑incendio. El Dr. Jones dijo:

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

Además afirmó que, después de incendios severos, los bosques se sabe que se recuperan pobremente. Por lo tanto, debemos prestar mucha atención a cómo el aumento de la severidad del fuego impactará el almacenamiento de carbono de los bosques en los próximos años. 

En medio de todo esto, se ha reducido la quema de sabanas tropicales propensas al fuego, con estudios previos que muestran que, desde 2001, el área quemada por incendios forestales y no forestales ha disminuido un cuarto a nivel mundial. 

En este contexto de reducción de la quema en pastizales y sabanas, el estudio, según sus autores, muestra que los incendios continúan ocurriendo cada vez más donde no deberían, es decir, los bosques han estado ocultando el aumento de la extensión y severidad de los incendios forestales. Esto representa “la mayor amenaza para las personas y para los depósitos vitales de carbono,” dijo el Dr. Jones.

Estas nuevas observaciones se lograron con la ayuda del aprendizaje automático, que se utilizó para agrupar ecorregiones forestales en 12 piro‑mes diferentes. Como compartimos recientemente, los modelos de IA se están utilizando extensamente para detectar incendios forestales de forma temprana. El enorme potencial de la IA y el aprendizaje automático se está potenciando aún más con la creciente base de datos de ocurrencias de incendios.  

En el nuevo estudio, el uso de IA para agrupar permitió a los científicos aislar los efectos del cambio climático de otros factores como la productividad vegetal y el uso del suelo. Además, comprender qué está provocando los incendios en estos diferentes piro‑mes es importante para desarrollar estrategias eficientes que predigan y mitiguen los incendios forestales y protejan los bosques.

“Se requiere una financiación sustancial para apoyar programas estratégicos de gestión forestal, participación de partes interesadas y educación pública, todo lo cual representa un cambio significativo de la estrategia de gestión de incendios de reactiva a cada vez más proactiva.”

– Dr. Jones

Una Nueva Frontera: 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 pueden usarse para reforzar materiales de construcción, combinarlo con hidrógeno para producir combustibles como metano, metanol, gasolina y combustibles de aviación, y convertir CO2 en productos químicos y otros productos como productos farmacéuticos, 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 sorprendentemente que la luz visible mejoraba considerablemente la selectividad, un atributo químico importante. Este hallazgo abre nuevas vías para la conversión de CO2, así como para muchas otras reacciones químicas que se utilizan en la investigación de catálisis y la fabricación química. 

Convertir CO2 en un portador de energía en lugar de desecho o emisión mediante el reciclaje es una excelente forma de reducir el cambio climático. Aquí, el dióxido de carbono se convierte en combustibles, productos químicos, materiales y energía térmica. 

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

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

Sin embargo, Jain señala que esta reacción es bastante lenta y que se necesitan electrodos grandes para este proceso. Estos electrodos contienen mucho material catalítico costoso, como cobre o oro o cobre.

Ante estas limitaciones, Jain, junto con su ex‑estudiante de posgrado Francis Alcorn, buscó formas de acelerar el proceso que requirieran menos material catalítico, de ahí “convertirlo en una opción más viable para la industria de combustibles alternativos”.

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

Con el nuevo método, el equipo combinó luz visible con electrodos recubiertos de partículas extremadamente pequeñas de una aleación de oro‑cobre. Esto permite la reducción de CO2 a una velocidad mayor y con 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 era iluminada con un láser de luz visible.

Esto dio lugar a una reacción que produce rápidamente hidrógeno a partir de la división de moléculas de agua y monóxido de carbono, que proviene de la división del dióxido de carbono.

Aunque el equipo estaba “muy emocionado” al observar el salto en productividad al usar luz visible, lo que no se esperaba era que la luz visible tuviera un impacto tan grande en la selectividad química — lo que Jain dijo que “es el avance importante aquí”.

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

En este estudio particular, una reacción de división del agua que forma gas hidrógeno se encontró que era selectivamente mejorada al usar luz. Jain dijo:

“Los resultados sugieren que la luz visible ofrece una oportunidad única para ajustar la proporción 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 usar luz para mejorar reacciones químicas no está exento de controversia, dado que la luz también aporta calor. Por lo tanto, el equipo tuvo que realizar experimentos de control y hacer mediciones cuidadosas para determinar si era el efecto térmico de la luz lo que provocaba mayores velocidades de reacción y selectividad.

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

El equipo descubrió que, de hecho, los campos eléctricos y el flujo de carga dirigido creados por la excitación lumínica fueron los responsables del aumento de productividad y de la mayor selectividad en la división del agua.

Ahora, mirando hacia adelante, el equipo aún tiene desafíos que superar. Esto incluye el uso repetido de nanopartículas basadas en electrodos, lo que provocará degradación con el tiempo, especialmente al escalar el método para aplicaciones industriales.

El equipo también debe investigar más y mejorar la eficiencia energética global del proceso y la gestión de la luz.

“(En general) lo que encontramos con 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 lo que es más importante y sorprendente es que ha permitido cambiar la selectividad, lo que abrirá nuevas vías químicas que generan diferentes productos. Esto significa que la reducción de CO2 o la división del agua es solo el comienzo; el método también puede aplicarse a muchas otras reacciones catalíticas importantes para la industria química.

Empresas Involucradas en la Reducción y Conversión de CO2

La creciente severidad y devastación provocada por los incendios forestales ha llevado a avances en métodos de protección contra incendios, como los hidrogeles biomiméticos activables por calor. Sin embargo, también hay un creciente interés 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 punta para abordar los desafíos ambientales y económicos que plantean las emisiones de CO2.

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

Air Products and Chemicals (APD ) es otra que está involucrada en la producción de hidrógeno y tecnologías de conversión de CO2. Con una capitalización de mercado de 73,44 mil millones de dólares, las acciones de APD cotizan actualmente a 330,37 $, con un aumento del 20,66 % en lo que va del año.

Ahora, echemos un vistazo más profundo a otro actor importante en la captura de carbono:

ExxonMobil

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

La red de CCS de ExxonMobil (XOM ) implica la operación del mayor oleoducto de CO2 de 1 500 millas en EE. UU. También cuenta con múltiples sitios de almacenamiento estratégicamente ubicados a lo largo de la costa del Golfo de EE. UU.

A través de ExxonMobil Low Carbon Solutions, la empresa desempeña un papel importante al llevar la tecnología de captura y almacenamiento de carbono a escala. Cuenta con una capacidad de captura actual de 9 millones de toneladas métricas al año, una captura acumulada de 120 millones de toneladas métricas hasta la fecha, y representa aproximadamente el 40 % de todo el CO2 producido por el ser humano capturado, según los datos del sitio web oficial de ExxonMobil.

La empresa ha colaborado con Mitsubishi Heavy Industries (MHI) para habilitar soluciones integrales de extremo a extremo para la captura de CO2 post‑combustión. La solución ofrece captura completa de carbono, transporte y almacenamiento.

La empresa también está ejecutando un proyecto piloto para usar gas, que de otro modo se quemaría por falta de tuberías, de sus pozos de petróleo en Dakota del Norte para alimentar a operadores de minería de Bitcoin. Para ello, ExxonMobil se asoció con Crusoe Energy Systems, que aprovecha recursos de energía residual para extraer gas de sus pozos y alimentar generadores móviles utilizados en operaciones de minería de Bitcoin. La compañía espera que sus planes de reducción de emisiones logren el objetivo de Cero Quema Rutina del Banco Mundial para 2030.

Al momento de redactar este artículo, sus acciones cotizan a 119,94 $ tras un aumento del 20,72 % en su precio hasta la fecha este año. Esto sitúa la capitalización de mercado de ExxonMobil en 536,2 mil millones de dólares, con 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 de dólares, lo que, según afirma, muestra las “fortalezas diferenciadas del portafolio de ExxonMobil y su mayor capacidad de generación de ingresos”. También amplió su propuesta de valor al reforzar su liderazgo en captura y almacenamiento de carbono (CCS) con un nuevo acuerdo que incrementó su capacidad total contratada de captura de CO2 a 5,5 millones de toneladas métricas al año. Según ExxonMobil, esto representa un “volumen comprometido mayor que el anunciado por cualquier otra compañía”. Sus resultados financieros del tercer trimestre de 2024 se publicarán el 1 de noviembre.

Conclusión

Con miles de millones de toneladas métricas de CO2 liberadas a la atmósfera cada año, esto ha provocado no solo el cambio climático, que genera eventos meteorológicos más extremos, sino también riesgos para la salud y la acidificación del océano que pone en peligro la vida marina y los arrecifes de coral.

A medida que la crisis climática se intensifica, se vuelve crítico abordar el grave problema del aumento de 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, acelerando aún más el problema. Si bien los programas de reforestación y forestación son vitales para compensar las emisiones, la amenaza de los incendios forestales es enorme, lo que hace esenciales las estrategias proactivas de gestión de incendios.

Soluciones innovadoras, como la reducción electroquímica de CO2 y el uso de luz visible para mejorar las reacciones catalíticas, ofrecen perspectivas prometedoras para reutilizar las emisiones de carbono nocivas 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 remodelar el panorama energético.

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