El futuro del carbón de China

Un visitante que llega a Shanghai se da cuenta de inmediato del enigma tecnológico de China. A través de las ventanillas del tren de levitación magnética que recorre los 30 kilómetros desde el Aeropuerto Internacional de Pudong hasta Shanghai a una velocidad de hasta 430 kilómetros por hora, son evidentes tanto el progreso que está haciendo el país como el precio que está pagando por él. La mayoría de los días, una neblina amarilla se cierne sobre el frenesí de la construcción de Shanghai. La contaminación es la principal causa de muerte en China, y mata a más de un millón de personas al año. Y la principal causa de contaminación es también la fuente de energía que impulsa el tren ultramoderno: el carbón.

Para seguir el ritmo del crecimiento económico del país, los gobiernos locales, las empresas de servicios públicos y los empresarios de China están construyendo, en promedio, una central eléctrica de carbón por semana. Las plantas de energía emiten un flujo constante de hollín, dióxido de azufre y otros contaminantes tóxicos al aire; también arrojan millones de toneladas de dióxido de carbono. En noviembre, la Agencia Internacional de Energía proyectó que China se convertirá en la mayor fuente mundial de emisiones de dióxido de carbono en 2009, superando a Estados Unidos casi una década antes de lo previsto. Se espera que el carbón sea responsable de las tres cuartas partes de ese dióxido de carbono.

Esta historia fue parte de nuestro número de enero de 2007

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Y el problema empeorará. Entre ahora y 2020, el consumo de energía de China se duplicará con creces, según estimaciones de expertos. Intensificar la eficiencia energética, aprovechar los recursos renovables con represas hidroeléctricas y turbinas eólicas y construir plantas nucleares puede ayudar, pero, al menos en las próximas dos décadas, solo de forma marginal. Dado que China tiene muy pocas reservas de petróleo y gas, su futuro depende del carbón. Con el 13 por ciento de las reservas probadas del mundo, China tiene suficiente carbón para sostener su crecimiento económico durante un siglo o más. La buena noticia es que los líderes de China vieron venir la fiebre del carbón en la década de 1990 y comenzaron a explorar una variedad de tecnologías avanzadas. El principal de ellos es la gasificación del carbón. Es la clave para el carbón limpio en China, dice el ingeniero químico Li Wenhua, quien dirigió el desarrollo avanzado del carbón para el programa nacional de investigación y desarrollo de alta tecnología de Beijing (más conocido en China como el programa 863) desde 2001 hasta 2005.

La gasificación transforma la compleja mezcla de hidrocarburos del carbón en un gas rico en hidrógeno conocido como gas de síntesis o gas de síntesis. Las centrales eléctricas pueden quemar gas de síntesis tan limpiamente como el gas natural. Además, con los catalizadores adecuados y en las condiciones adecuadas, los componentes químicos básicos del gas de síntesis se combinan para formar los ingredientes de hidrocarburos de la gasolina y el combustible diesel. Como resultado, la gasificación del carbón tiene el potencial tanto de sofocar la emisión de hollín y smog de las centrales eléctricas como de disminuir la creciente dependencia de China del petróleo importado. Incluso podría ayudar a controlar las emisiones de dióxido de carbono, que se captura más fácilmente en las plantas de gas de síntesis que en las convencionales de carbón.

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Sin embargo, a pesar de la anticipación anticipada de China de la necesidad de gasificación del carbón, su implementación de la tecnología en las plantas de energía se ha retrasado. Los productores de electricidad del país carecen de incentivos económicos y políticos para romper con sus prácticas tradicionales.

Por el contrario, los esfuerzos a gran escala para producir combustibles líquidos para el transporte mediante gasificación del carbón están muy avanzados. La empresa de carbón más grande de China, Shenhua Group, planea poner en marcha la primera planta de carbón a combustible del país en 2007 o principios de 2008, en la aplicación más ambiciosa de licuefacción de carbón desde la Segunda Guerra Mundial. Shenhua planea operar ocho plantas de licuefacción para 2020, produciendo, en total, más de 30 millones de toneladas de aceite sintético al año, suficiente para desplazar más del 10 por ciento de las importaciones de petróleo proyectadas de China.

El progreso de China en la construcción de plantas de conversión de carbón lo coloca muy por delante de Estados Unidos, donde la gasificación del carbón aún se está recuperando de una reputación dañada. Los programas de demostración de gasificación iniciados en los EE. UU. Después de la crisis energética de la década de 1970 quedaron huérfanos cuando los precios del petróleo y el gas se desplomaron en la década de 1980. Eso dejó a muchos con la impresión de que la tecnología en sí no era confiable. (ver Dióxido de carbono a la venta, julio de 2005) . En China, por el contrario, el petróleo nunca pareció barato y el carbón nunca perdió su brillo.

Carbón y cachemira

El norte de China se está convirtiendo rápidamente en el epicentro de la industria energética de China. El principal atractivo es la cuenca carbonífera de Shenfu Dongsheng, una capa sólida de carbón poco profundo de 31.000 kilómetros cuadrados que se extiende desde el extremo norte de la provincia china de Shaanxi hasta el extremo sur de Nei Mongol, o Mongolia Interior. La reserva estimada del campo Dongsheng de 223,6 mil millones de toneladas de carbón lo convierte en el séptimo más grande del mundo; los esfuerzos para convertir gran parte de ese carbón en combustibles para el transporte podrían convertirlo en el más rentable del mundo.

Hasta hace poco, la capital del carbón de Mongolia Interior, Erdos, estaba prácticamente al margen del mundo moderno, delimitada por cadenas montañosas y la Gran Muralla al sur y por el río Amarillo al norte. Su aislamiento ha terminado gracias a las carreteras recién construidas y a las nuevas vías férreas que recorren sus colinas agrietadas y valles escarpados. Un aeropuerto debería abrir este año.

El PIB de Erdos se duplicó entre 2001 y 2004, en gran parte debido al carbón, los productos químicos y la cachemira (Erdos suministra una cuarta parte de la cachemira del mundo). Para llegar a las minas de carbón, conduzca 40 minutos al sur de la ciudad, pasando por un mausoleo de la década de 1950 para Genghis Khan, el guerrero del siglo XIII que conquistó gran parte de Asia. Al acercarse a la llanura de inundación seca del río Wulanmulun, la imponente infraestructura de una docena de minas de carbón, incluidas algunas de las más grandes y mecanizadas del mundo, salta del paisaje árido. La región también alberga varios cientos de minas más pequeñas y menos modernas (los gases y los derrumbes matan al menos a 6.000 mineros de carbón chinos al año). Los mineros en su día libre se desplazan en ciclomotores, tres o cuatro por vehículo, pasando junto a camiones de 40 toneladas llenos de carbón. A lo largo de la carretera, terminales de clasificación de carbón cargan vagones destinados a centrales eléctricas y puertos en la costa este industrializada.

Sin embargo, nada de esa infraestructura y actividad prepara al visitante para el complejo de carbón a combustibles de Shenhua, que se eleva desde una meseta cortada en las colinas. Es un sitio impresionante, con su propia planta de energía de carbón, plantas de gasificación y dos reactores masivos donde se licuará el carbón, cada uno con un peso de 2250 toneladas métricas (Shenhua reclamó el récord mundial de elevación cuando colocó los reactores en su lugar en junio pasado). . Tras una oferta pública inicial de $ 2.95 mil millones en 2005 y $ 5 mil millones en ingresos anuales de sus minas, ferrocarriles y plantas de energía integradas, Shenhua está expandiendo rápidamente sus operaciones. Vendió 113 millones de toneladas métricas de carbón sólo en el primer semestre de 2006, casi igualando el total del año anterior. Si Shenhua mantiene ese ritmo este año, puede convertirse en el mayor productor de carbón del mundo.

El gobierno de China en Beijing creó Shenhua hace una década para que las economías de escala y la tecnología moderna influyan en las yacimientos de carbón de Dongsheng. La planta de carbón a combustibles de la empresa, valorada en 1.500 millones de dólares, es una expresión de esa estrategia, una instalación tan ambiciosa desde el punto de vista técnico que muchos expertos, tanto chinos como occidentales, dudaban de que alguna vez se construyera.

La producción de combustibles para el transporte a partir del carbón se remonta a la Alemania de principios del siglo XX, donde los químicos desarrollaron dos enfoques para convertir los hidrocarburos sólidos de cadena larga del carbón en los hidrocarburos líquidos más cortos que se encuentran en los combustibles para motores. (La Alemania nazi, con poco acceso al petróleo, dependía en gran medida de estos procesos para alimentar su ejército y fuerza aérea altamente mecanizados, produciendo gasolina, diesel y combustible de aviación a partir del carbón). Franz Fischer y Hans Tropsch inventaron el más conocido de los dos enfoques. en la década de 1920. La síntesis de Fischer-Tropsch reduce el carbón a gas de síntesis, una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono. Un catalizador, a menudo cobalto, hace que los átomos de carbono e hidrógeno se vuelvan a conectar en nuevos compuestos, como alcoholes y combustibles. La síntesis de Fischer-Tropsch es química convencional en la actualidad: en Sudáfrica, por ejemplo, Sasol, con sede en Johannesburgo, construyó plantas de carbón a petróleo Fischer-Tropsch para garantizar el suministro de combustible del país durante los boicots comerciales de los años del apartheid; y al intercambiar diferentes catalizadores, las plantas de gasificación de carbón a productos químicos de China han empleado a Fischer-Tropsch durante décadas para producir productos como fertilizantes sintéticos y metanol.

La planta de Shenhua, en cambio, eligió al rival menos conocido de Fischer-Tropsch, inventado por Friedrich Bergius una década antes. Aunque fue ampliamente utilizado por los nazis, el proceso de Bergius fue posteriormente abandonado. El proceso se conoce como licuefacción directa, porque pasa por alto el paso de gas de síntesis. En la licuefacción directa, la mayor parte del carbón se pulveriza y se mezcla con algo del aceite sintético de la planta, luego se trata con hidrógeno y se calienta a 450 ° C en presencia de un catalizador de hierro, que rompe las cadenas de hidrocarburos en cadenas más cortas adecuadas para refinado en combustibles líquidos.

La licuefacción directa produce más combustible por tonelada de carbón que la síntesis de Fischer-Tropsch. Los expertos del Instituto de Investigación del Carbón de China en Beijing estiman que el proceso captura del 55 al 56 por ciento de la energía en el carbón, en comparación con solo el 45 por ciento de Fischer-Tropsch. Sin embargo, la licuefacción directa también es mucho más complicada, ya que requiere plantas de gasificación y energía separadas para suministrar calor e hidrógeno y un reciclaje considerable de aceite, hidrógeno y lodos de carbón entre secciones separadas de la planta. Y descomponer los hidrocarburos en la longitud justa requiere un control exquisito de las condiciones de operación y un suministro constante de carbón.

Shenhua rediseñó el proceso durante los últimos cinco años para aumentar la eficiencia y reducir el desperdicio pero, al mismo tiempo, aumentó su complejidad. Y la empresa está asumiendo un enorme riesgo económico y de ingeniería al perseguir una tecnología tan novedosa a una escala tan amplia.

Para fines de este año, Shenhua espera bombear 20.000 barriles de petróleo sintético por día, casi 500 veces más de lo que produce su planta piloto en Shanghai. Según Jerald Fletcher, economista de recursos naturales de la Universidad de West Virginia en Morgantown, la planta de Erdos constituye un experimento de 1.500 millones de dólares que solo podría llevarse a cabo en China. Sería difícil conseguir ese tipo de compromiso de fondos en Occidente sin una tecnología más probada, dice Fletcher. Eric Larson, experto en tecnología energética y modelado de la Universidad de Princeton, lo expresa de manera más directa: no tiene mucho sentido construir una planta enorme como esa, porque puede que no funcione.

Pero para el gobierno chino, las recompensas podrían valer el riesgo. A pesar de su OPI de 2005 de algunos activos, Shenhua sigue siendo una empresa mayoritariamente de propiedad estatal, y la planta de licuefacción directa sirve a un interés estatal crítico: la seguridad energética. No importa cuán grande sea el costo, Shenhua lo construirá, dice Zhou Zhijie, experto en gasificación del Instituto de Tecnología de Carbón Limpio de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Este de China en Shanghai. El gobierno de China apoyará este proyecto hasta que fluya el líquido.

Por supuesto, si la nueva planta funciona, Shenhua puede obtener una ganancia sustancial. La compañía predice que su petróleo sintético generará ganancias de aproximadamente 30 dólares el barril, aunque muchos analistas dicen que 45 dólares es más realista. (El pronóstico de precios más reciente del Departamento de Energía de EE. UU. Predice que el petróleo crudo caerá a 47 dólares el barril en 2014 y luego aumentará constantemente a 57 dólares el barril en 2030). Cubriendo sus apuestas, Shenhua también ha firmado un acuerdo preliminar con los socios Shell y Sasol. en relación con varias plantas de combustible Fischer-Tropsch de tamaño similar o más grandes en el norte de China, que comenzarían a funcionar en 2012.

Los competidores chinos del carbón de Shenhua, también, ya están abriendo camino en sus versiones de plantas de carbón a combustible. El grupo de carbón Yankuang, el segundo mayor productor de carbón de China, está planeando una planta de combustible Fischer-Tropsch cerca de Erdos que utilizará un gasificador y catalizador patentados.

Más allá de los riesgos inherentes al despliegue a gran escala de tecnología no probada, el auge de la construcción de gasificación también es una apuesta ambiental. De hecho, lo que en última instancia puede frenar las ambiciones de China de convertir el carbón en petróleo es el agua. El Instituto de Investigación del Carbón de China estima que la planta de Shenhua consumirá 10 toneladas de agua por cada tonelada de aceite sintético producido (360 galones de agua por barril de petróleo), y la proporción es aún peor para las plantas Fischer-Tropsch. El verano pasado, la Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma de China, el poderoso organismo encargado de regular la economía de China y aprobar grandes proyectos de capital, emitió una advertencia sobre las consecuencias ambientales del desarrollo descontrolado de plantas químicas y de petróleo sintético, que según dijo consumirán decenas de millones de metros cúbicos de agua al año.

Esa predicción suena particularmente siniestra en el norte de China, donde el agua es escasa. Erdos es una mezcla de matorral y desierto cuyos escasos suministros de agua ya están sobrecargados por el crecimiento de la población y las centrales eléctricas existentes. Zhou Ji Sheng, quien como vicegerente de ZMMF, uno de los competidores con sede en Erdos de Shenhua, está buscando financiamiento para un proyecto de gasificación, reconoce que la escasez de agua podría poner fin a la gasificación del carbón en el área. A pesar de que tenemos tanto carbón, si no tenemos agua, tendremos que usar la forma tradicional, para extraerlo y transportarlo, dice. El agua es el factor clave para que desarrollemos esta nueva industria. Zhou dice que su empresa planea complementar su suministro de agua mediante la construcción de una tubería de 120 kilómetros hasta el río Amarillo. Pero la evaporación de los embalses hidroeléctricos, el aumento de la demanda de las ciudades e industrias en crecimiento y los efectos del cambio climático significan que en el verano, el río Amarillo apenas llega al mar.

Energía de carbono

Si bien el deseo de China de poner fin a su dependencia del petróleo extranjero está ayudando a impulsar enormes inversiones de capital en tecnología de licuefacción, los productores de energía del país se están moviendo mucho más lentamente para aprovechar la gasificación del carbón. Lo que les falta, al igual que sus homólogos estadounidenses, es un incentivo para pasar de las plantas convencionales de carbón pulverizado a las plantas de gasificación más caras. Según Li Wenhua, ex director del programa 863 (que ahora dirige la investigación de gasificación en China para General Electric), los industriales chinos perciben las plantas de carbón pulverizado como una licencia para imprimir dinero. La gente dice que no debería llamarlo central eléctrica; es una máquina para hacer dinero, dice Li. Hasta el momento, ninguna compañía eléctrica ha estado dispuesta a ser la primera en apagar el interruptor.

Irónicamente, el paso de China hacia una economía más abierta ha obstaculizado los esfuerzos por implementar tecnologías más innovadoras. En la década de 1990, parecía que el sector energético de China se encaminaba hacia su propia revolución de gasificación. En 1993, la empresa líder en ingeniería energética de China, China Power Engineering Consulting en Beijing, comenzó a diseñar la primera planta de gasificación del país. La empresa de servicios públicos monopolista de la época, State Power Corporation, planeaba construir la planta a escala comercial en Yantai, un próspero puerto marítimo no lejos del mar de Bohai. La planta de Yantai iba a ser el comienzo de una transición hacia una tecnología de carbón más limpia, dice Zhao Jie, diseñador de la planta, ahora vicepresidente de China Power Engineering. China quería adoptar una forma más limpia y eficiente de producir energía, dice Zhao. En cambio, la planta de demostración que diseñó se fue en una montaña rusa hacia ninguna parte. El trabajo de diseño se detuvo temporalmente en 1994 cuando el costo de la tecnología se consideró inaceptablemente alto, revivió a fines de la década de 1990 y luego quedó a la deriva después de 2002 por la desintegración de la State Power Corporation.

La central eléctrica de Yantai se basó en la tecnología de ciclo combinado de gasificación integrada (IGCC). Las plantas de IGCC se asemejan a las centrales eléctricas de gas natural: utilizan dos turbinas para capturar la energía mecánica y térmica de los gases de combustión en expansión, pero se alimentan con gas de síntesis de una planta de gasificación de carbón integrada. No están libres de emisiones, pero sus corrientes de gas están más concentradas, por lo que el hollín sulfuroso, el dióxido de carbono y otros contaminantes que generan son más fáciles de separar y capturar. Por supuesto, una vez que se captura el dióxido de carbono, el principal gas de efecto invernadero, los ingenieros aún necesitan encontrar un lugar para almacenarlo. La estrategia más prometedora es secuestrarlo en las profundidades de los acuíferos salinos y los depósitos de petróleo. En análisis preliminares, los geólogos chinos han estimado que los campos petroleros y los acuíferos envejecidos podrían absorber más de un billón de toneladas de dióxido de carbono, más de lo que emitirían las plantas de carbón de China, al ritmo actual, durante cientos de años.

El Grupo Huaneng, un productor de energía con sede en Beijing, ha reunido un consorcio de intereses de energía y carbón (incluido Shenhua) llamado GreenGen para construir la primera planta de demostración de IGCC en China para 2010; Al igual que el proyecto relacionado con FutureGen organizado por el Departamento de Energía de EE. UU., GreenGen comenzará con la producción de energía y luego agregará la captura y el almacenamiento de carbono. El viceprimer ministro de China, Zeng Peiyan, hizo una aparición en el debut ceremonial de GreenGen el verano pasado, indicando el apoyo de Beijing al proyecto.

El problema es que las plantas de IGCC todavía cuestan entre un 10 y un 20 por ciento más por megavatio que las centrales eléctricas de carbón pulverizado. (Y eso es sin captura de dióxido de carbono). Los productores de energía de China, al igual que sus contrapartes en los Estados Unidos y Europa, están esperando una razón financiera o política para hacer el cambio. En parte, lo que falta es una regulación que penalice a las plantas de carbón convencionales. Y las agencias ambientales de China carecen de los recursos y el poder para hacer que las empresas cumplan incluso con las regulaciones que ya están en los libros. Los altos funcionarios de Beijing admiten que sus edictos son ampliamente ignorados, ya que se construyen nuevas plantas de energía sin evaluaciones ambientales y, según algunas fuentes, sin el equipo necesario para el control de la contaminación.

Incluso los defensores de la tecnología IGCC esperan que su despliegue generalizado en China lleve al menos otra década. De hecho, Du Minghua, director de química del carbón en el Instituto de Investigación del Carbón de China, predice que será 2020 antes de que comience en serio la aplicación de la tecnología IGCC.

Esperando inhalar

A pesar de tales predicciones pesimistas, la vasta experiencia de China con tecnologías avanzadas del carbón y su capacidad probada para implementar nuevas tecnologías a un ritmo sorprendente brindan un amplio margen para el optimismo. Cuando estás corriendo hacia Shanghai a un tercio de la velocidad del sonido en un tren apoyado por un campo de fuerza electromagnética, es difícil creer que un país capaz de tal hazaña de ingeniería continuará ignorando la contaminación mortal que envuelve a sus ciudades.

Para algunos analistas, el cambio a la tecnología de carbón limpio parece casi inevitable. China tiene que depender del carbón para las necesidades futuras de electricidad y combustible, y eventualmente tendrá que limitar sus emisiones de CO2, dice Guodong Sun, un experto en políticas tecnológicas de la Universidad Stony Brook de Nueva York que ha asesorado al gobierno chino sobre política energética. La gasificación es una de las pocas tecnologías que puede reconciliar esos escenarios conflictivos a un costo razonable.

Aún así, el momento de tal transición tecnológica está muy cuestionado. ¿China realmente esperará hasta 2020 para comenzar el proceso de limpieza de sus centrales eléctricas de carbón? La respuesta dependerá, en última instancia, de cuándo China comience a sentir que usar gasificación de carbón para generar electricidad es tan urgente como usarlo para producir combustibles para el transporte, cuando los costos de la contaminación del aire se vuelvan tan preocupantes como los costos de depender del petróleo extranjero.

Peter Fairley, un Revisión de tecnología escritor colaborador, viajó a China en octubre.

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