Pré-CCC: Capturando CO₂ antes de queimá-lo

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Como poderíamos capturar o carbono em vez de emiti-lo?

Não seria muito legal se pudessemos capturar o CO₂ antes dele ser emitido para atmosfera e depois armazená-lo em algum canto (como, por exemplo, em baixo da terra)? A gente pode! Esse processo se chama captura e armazenamento de carbono (CCS).

CCS pode ajudar a remover emissões de muitos processos de manufatura diferentes; daonde quer que seja que CO é emitido por conta de incêndios, altas temperaturas ou reações químicas, CCS pode ser usado para capturá-lo!

A produção de energia CCS nas usinas de gás natural e carvão é especialmente interessante, pois nos permite queimar um pouco de combustíveis fósseis para gerar energia, sem liberar nenhum CO₂. Mas isso funciona? E é economicamente viável? Vamos dar uma olhada!

There are three ways to capture carbon:

  • Captura de carbono pré-combustão (pré-CCC): Aqui, o carbono (na forma de CO₂) é removido dos combustíveis fósseis em um reator antes de ser queimado[PrecombustionCCS].
  • Captura de carbono pós-combustão (pós-CCC): Aqui, o carbono (na forma de CO₂) é removido depois que os combustíveis fósseis são queimados.
  • Oxicombustão: Aqui, o oxigênio puro é usado para queimar o combustível fóssil, resultando em um fluxo relativamente puro de CO₂, que é mais fácil de capturar.

Nos três métodos, o CO₂ capturado precisa ser armazenado corretamente. Por que isso é tão importante?


Você pode aprender mais sobre o armazenamento de CO₂ no curso "Reverter as mudanças?". Aqui, vamos analisar como o carbono é capturado, começando com o pré-CCC até o pós-CCC e a oxicombustão, que serão abordados nos próximos capítulos.

O que é o pré-CCC e por que ele é útil?

Os combustíveis fósseis, como o carvão e o gás natural, são hidrocarbonetos. Ou seja, são compostos por hidrogênio (H) e carbono (C).

Qual dos seguintes combustíveis produz os níveis de poluentes mais baixos?


O pré-CCC transforma os hidrocarbonetos dos combustíveis fósseis em hidrogênio (H₂) e dióxido de carbono (CO₂). Então, o hidrogênio é utilizado como uma fonte de energia mais limpa (veja nosso curso sobre energia!), enquanto o CO₂ é capturado e armazenado, evitando sua emissão para a atmosfera!

Como funciona a pré-CCC?

Diagrama simplificado de como funciona o pré-CCC

Vamos analisar isso, passo a passo! Embora esse processo funcione para gas natural e usinas de carvão, só vamos cobrir gás natural aqui. Gás é mais barato, é não economicamente possível adicionar CCS a usinas de carvão mais velhas, que têm menos vida útil sobrando.

1. Produção de gás de síntese

Primeiramente, precisamos quebrar o hidrocarboneto no que é chamado de gás de síntese, ou "syngas", uma mistura de, na sua maioria, monóxido de carbono (CO) e hidrogênio (H₂). O método mais barato de conseguir isso é reformação a vapor. Mas como isso funciona?

A altas temperaturas (1050 ºC) e pressões baixas, vapor (H₂O vaporizado) pode ser utilizado para quebrar gás natural em CO e H₂.

Reforma a vapor do gás natural para produzir gás de síntese

2. Remoção de impurezas

Por que você acha que as impurezas precisam ser removidas?


O combustível precisa ter suas impurezas removidas para não danificar a turbina que gera eletricidade e para reduzir as emissões de poluentes. Se o combustível fóssil inicial for o carvão, ainda mais etapas de filtragem serão necessárias.

3. Reação de mudança do vapor de água

O CO no gás de síntese é convertido para CO₂ ao reagir com o vapor. Isso gera ainda mais H₂, que pode ser utilizado como combustível:

Criando mais H₂ (para usar como combustível) ao reagir o gás de síntese com o vapor.
A reação global para converter gás natural (principalmente CH4) em CO₂ e H₂ com o auxílio de catalisadores para acelerar a reação.

4. Separação e armazenamento

O CO₂, então, precisa ser separado do H₂. Absorção em um solvente físico é o método mais comum (e mais barato) para capturar o CO₂, que é, finalmente, transportado para o armazenamento.

Agora, ficamos só com o H₂!

O que acontece com o hidrogênio (H₂) quando ele é queimado?


Ao produzir água em vez de CO₂, o hidrogênio funciona como uma fonte de energia muito mais limpa do que o combustível fóssil inicial!

Qual é a viabilidade do pré-CCC?

Aumento de custos e diminuição de eficiência ao utilizar o pré-CCC

Por que o pré-CCC não é amplamente utilizado?


Como podemos ver, instalar e fazer funcionar um pré-Ccc em uma usina elétrica de gás aumenta o custo da produção de energia da usina. Isso também diminui a eficácia da usina, por causa da energia adicional necessária para operar os sistemas pré-Ccc.

É mais barato para empresas pagar um imposto para suas emissões do que instalar tecnologias pré-Ccc, e, em alguns lugares, nem existe imposto sobre carnono!

Em que fase a tecnologia está agora?

Atualmente, não há nenhuma usina de teste para energia pré-Ccc baseada em gás e a primeira usina de carvão com pré-Ccc enfrentou delays e custou 2,3 vezes mais do que o esperado.

Então, seria necessária muita pesquisa, muito desenvolvimento e muitos testes se o pré-Ccc for se tornar mais comum, e isso tudo requer tempo e dinheiro.

Como o pré-CCC será no futuro?

Reduzir os requisitos energéticos do pré-Ccc será necessário para fazer com que essa tecnologia seja mais eficiente e custe menos no futuro.

As demandas energéticas do processo podem ser reduzidas de duas maneiras principais: a partir da redução da quantidade de vapor que é usada (porque produzir vapor requer muita energia) ou combinando a conversão de CO para CO₂ e a remoção de CO₂ em um único passo.

Para entender porquê, vamos olhar para trás, para a reação de mudança do vapor de água:

A reação de mudança do vapor de água reversível

Essa é uma reação reversível que alcança o equilíbrio quando as reações direta e inversa têm taxas constantes. Uma vez que a reação tenha atingido o equilíbrio, é possível fazer com que ela mude ao alterarmos as temperaturas, concentrações e pressões sob as quais ela ocorre. Por exemplo, se alterarmos a concentração adicionando ou removendo moléculas, a reação irá se ajustar para neutralizar a mudança.

O que você acha que acontece com essa reação se removermos o CO₂ conforme ele é produzido?


Para a reação de mudança do vapor de água, queremos produzir tanto H₂ quanto possível. Então, vamos ver como remover os produtos pode nos ajudar:

É por isso que remover CO₂ e H₂ da reação faz com que ela se altere e produza mais CO₂ e H₂

Se continuamente removermos H₂ e CO₂ durante a reação, vamos mudar as concentrações dessas moléculas na reação, fazendo com que o equilíbrio se ajuste para contrabalancear essa mudança. O CO e o H₂O vai, portante, reagir entre si mais rápido para substituir esses produtos faltantes. Então, a partir da remoção constante de CO₂ e H₂ durante a reação de mudança do vapor de água, nós conseguiremos mais H₂ e CO₂ produzidos, no total.

Outro método que funciona com a mesma ideia é o uso de membranas para remover H₂ a medida que ele é produzido. Isso resulta no mesmo efeito do que acima!

Bom, isso foram os básicos do pré-Ccc, então vamos dar uma olhada no pós-Ccc!

Próximo Capítulo