Captura, Estocagem (?) e Uso (!) de Gás Carbônico, um bode na sala?

ABEQ

Olá, leitoras e leitores. O assunto desta coluna é a cada vez mais necessária diminuição dos gases de efeito estufa (GEE) da atmosfera.

Esta necessidade tem duas razões: a Economia Circular e as mudanças climáticas.

A Economia Circular já foi assunto de outros textos neste espaço (“Rumo à Indústria Química”, QD-615) e quando apelo a esse conceito como justificativa para remover os GEE da atmosfera, quero dizer que se quisermos sobreviver adequadamente como espécie neste planeta por muito mais tempo (séculos, milênios), não podemos aceitar que haja resíduos do nosso cotidiano.

Toda molécula utilizada pela humanidade deve ser reincorporada ao ciclo produtivo, pois o planeta tem uma capacidade limitada de nos prover recursos.

E quando escrevo que são as mudanças climáticas que impõem a remoção de GEE da atmosfera, significa que eventos climáticos adversos como secas prolongadas, calor excessivo e distribuição irregular das chuvas são um problema atual causado pelos GEE já presentes na atmosfera e que ficará pior a cada ano.

Algumas pessoas quando se deparam com discussões sobre mudanças climáticas ou esgotamento dos recursos naturais minimizam o problema, tachando essas discussões de “alarmismo de pretensões políticas”.

De fato, frequentemente o ambientalismo tem sido usado por países desenvolvidos para impor barreiras comerciais a produtos primários de países emergentes, mas isso não faz o problema desaparecer, pelo contrário.

Países como o Brasil deveriam desenvolver ações de proteção do meio-ambiente também para proteger suas exportações.

Por último, aos céticos quanto ao problema das mudanças climáticas apelo a Blaise Pascal e sua famosa aposta.

Segundo Pascal, há mais a ser ganho pela suposição da existência de Deus do que pela não existência de

Deus, que uma pessoa racional deveria viver a sua vida de acordo com a perspectiva de que Deus existe, mesmo que seja impossível para a razão nos afirmar tal.

Se acreditar em Deus e estiver certo, terei um ganho infinito; se acreditar em Deus e estiver errado, terei uma perda finita; se não acreditar em Deus e estiver certo, terei um ganho finito; se não acreditar em Deus e estiver errado, terei uma perda infinita.

Troque “Deus” na fase anterior por “mudança climática” e o leitor cético entenderá o meu ponto – é mais seguro tratarmos as mudanças climáticas como reais.

A minha aposta é que Pascal foi muito mais inteligente do que eu sou, fui ou serei, e imitar seu raciocínio é uma escolha óbvia, seja quanto a Deus ou às mudanças climáticas.

O gás de efeito estufa mais comum é o gás carbônico (CO2) e ao longo das últimas décadas diferentes processos foram criados ou aperfeiçoados para capturar CO2 de uma corrente gasosa.

São essencialmente quatro as operações unitárias utilizadas para capturar CO2: absorção, adsorção, separação por membranas (combinada ou não com absorção), e formação de hidratos de clatratos.

A absorção é a operação mais madura tecnologicamente e, provavelmente, a opção mais barata em uma faixa ampla de condições, quanto à concentração do CO2 e aos outros componentes da corrente gasosa.

A absorção é baseada na solubilidade de um componente do gás (soluto) no líquido absorvente/solvente (absorção física), ou na formação (reação) do soluto gasoso com um componente do líquido (absorção química), normalmente formando uma terceira substância não-volátil, como um sal.

A ligação entre o soluto e o solvente é evidentemente mais fraca na absorção física do que na absorção química. Além da diferenciação entre absorção física e química, os processos de absorção se diferenciam pelo solvente ou reagente utilizado.

A Figura 1, adaptada de Sifat e Haseli (2019) resume os processos de absorção.

Química e Derivados - Captura, Estocagem (?) e Uso (!) de Gás Carbônico – Um bode na sala? ABEQ - ©QD Foto: iStockPhoto

Os processos de absorção química inorgânicos são geralmente utilizados para a produção de carbonatos e bicarbonatos inorgânicos, de modo que a forma de utilização do CO2 já foi definida pela escolha do processo.

Nos outros casos, o solvente é regenerado por aquecimento (vapor) em uma coluna de stripping. O CO2 purificado precisa receber alguma destinação.

A adsorção é baseada na afinidade da molécula de interesse, em meio liquido ou gasoso, com um sólido (adsorvente).

Este adsorvente é normalmente um material particulado, e os materiais mais comuns para adsorção são carvão ativado, zeólitas, sílica ou resinas poliméricas.

O adsorvente pode ser poroso ou não. Também no caso da adsorção, há a adsorção física ou química.

Nesta última, o adsorvente teve sua superfície modificada pela inclusão de uma molécula específica que reage (reversível ou irreversivelmente) com o soluto de interesse.

A regeneração do adsorvente pode ser feita de quatro modos:

– Aquecimento, ou temperature swing adsorption (TSA): o adsorvente é aquecido até uma temperatura qual na qual ocorre a liberação do CO2. É um processo caro, ainda mais porque o adsorvente aquecido precisa ser resfriado antes de ser reutilizado;

– Aplicação de eletricidade, ou energy swing adsorption (ESA): o princípio é o mesmo do TSA, mas no ESA o aquecimento é resultado do efeito Joule. Aquecimento elétrico é em geral mais caro do que outros baseados em outras formas de energia;

– Redução da pressão, ou pressure swing adsorption (PSA): a redução da pressão no adsorvente libera o CO2 (ou qualquer outro soluto) adsorvido;

– Aplicação de vácuo, ou vacuum swing adsorption (VSA): é um caso específico de PSA.

Também na adsorção, o produto é gás carbônico de alta pureza, que precisa receber alguma destinação.

Esta coluna já discutiu separação por membranas (QD-627). A membrana é uma barreira semipermeável que tem diferentes resistências à passagem de diferentes moléculas.

É necessária a pressurização da corrente de alimentação, e pode haver ou não a passagem de um líquido absorvente do lado do permeado.

A vantagem da absorção auxiliada por membranas é o melhor controle do equipamento quando comparado a colunas – evitam-se gotejamento, afogamento, formação de espuma relativamente comuns em colunas de absorção.

Por outro lado, a absorção auxiliada por membranas é pouco eficiente para concentrações de CO2 na alimentação menores do que 20%, o que praticamente inviabiliza o uso do processo com gases de combustão.

Os hidratos ou hidratos de clatratos são estrutura sólidas similares ao gelo nas quais moléculas como CO2, N2, H2 e O2 ficam presas em cavidades das moléculas de água em temperaturas próximas à do congelamento desta e altas pressões (~55atm).

Moléculas como tetrahidrofurano (THF) e brometo de tetra-n-butil amônio facilitam a formação dos clatratos. Essa tecnologia tem baixo consumo energético, cerca de 0,57 kWh por kg de CO2 capturado, é considerada promissora, mas ainda tem baixa maturidade (Sifati e Haseli, 2019; Leung et al., 2014).

Uso ou disposição do CO2 capturado

A sigla CCS significa Carbon Capture and Storage (ou Captura e Armazenamento de Carbono) foi um conceito surgido em 1977, quando foi sugerido que o CO2 poderia ser capturado da (emissão da) usina de carvão e injetado em formações geológicas adequadas.

A Agência Internacional de Energia afirmou que esta tecnologia tem a capacidade de reduzir 17% da emissão global de CO2 até 2050 e, como tal, o CCS deve fazer parte da política em cada país do mundo para mitigar o efeito agudo do aquecimento global.

Até 2005, um número total de 800 bacias sedimentares em todos os continentes foi determinado como locais geológicos adequados para armazenamento de CO2 (Raza et al., 2019).

Três diferentes formações geológicas são comumente consideradas para armazenamento de CO2: reservas de petróleo e gás esgotadas (ou quase esgotadas), leitos de carvão não exploráveis e aquíferos salinos.

O armazenamento em oceano profundo também é uma opção viável para o armazenamento de CO2, embora preocupações ambientais (como acidificação oceânica e eutrofização) provavelmente limitarão sua aplicação.

Foi demonstrado que o potencial de armazenamento de CO2 pode atingir 400-10.000 Gt (giga toneladas ou 109 toneladas) para aquíferos profundos, comparado com apenas 920 Gt para campos de gás esgotados e 415 Gt em camadas de carvão não exploráveis.

É importante notar que os locais geológicos adequados não estão igualmente distribuídos no mundo e que a estocagem de CO2 demanda (muita) energia para ser realizada.

Uma alternativa é o uso do CO2 capturado de correntes gasosas que seriam despejadas na atmosfera (Olfe-Kräutlein at al. 2014; Bringezu, 2014).

Entre os usos do gás carbônico, há o uso direto como gelo seco, em carbonatação de bebidas, em extintores de incêndio e em sistemas de resfriamento; o uso como reagente ou na composição de materiais como ureia, carbonatos e bicarbonatos inorgânicos, solvente (carbonato de glicerina), em espumas; ou a conversão a metano (power to gas, já discutida neste espaço em edições passadas) ou a gás de síntese (Fischer-Tropsch, a mistura de CO e H2). Essas últimas conversões seguem as reações seguintes:

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A produção de metano permite que se utilize a infraestrutura já existente para o uso do gás natural. É possível misturar até 10% de hidrogênio ao metano nas tubulações atualmente utilizadas para o gás natural.

Já a redução de gás carbônico CO2 a monóxido de carbono CO faz com que este ao ser misturado com hidrogênio H2 forme gás de síntese para reações de Fischer-Tropsch a partir das quais é possível produzir metanol e uma infinidade de outros compostos orgânicos.

Plante árvores

Além do armazenamento geológico, há a óbvia captura de gás carbônico pela vegetação. Estudo recente coordenado por pesquisadores do Crowther Lab do ETH Zurich (Bastin et al., 2019) mostrou que a restauração de áreas florestadas em escala global pode ajudar a capturar o carbono atmosférico e mitigar as mudanças climáticas.

Segundo os autores, os ecossistemas poderiam suportar um adicional de 0,9 bilhão de hectares de floresta contínua. Isso representaria um aumento superior a 25% na área florestada, incluindo mais de 200 gigatoneladas de carbono adicional na maturidade.

Essa mudança tem o potencial de armazenar o equivalente a 25% do atual reservatório de carbono atmosférico. Ainda, se não pudermos nos desviar da trajetória atual, a cobertura potencial do dossel global pode encolher em cerca de 223 milhões de hectares até 2050, com a grande maioria das perdas ocorrendo nos trópicos. Dossel é a estrutura formada pelas copas das árvores.

CCS no Brasil

A emissão de gás carbônico total do Brasil aumenta ano a ano. Os dados são computados pelo SEEG (Sistema de Estimativas de Emissões e Remoções de Gases de Efeito Estufa). O SEEG é uma iniciativa do Observatório do Clima que compreende a produção de estimativas anuais das emissões de gases de efeito estufa (GEE) no Brasil. A Tabela 1 apresenta as estimativas de emissão de CO2 equivalente em milhões de toneladas do Brasil nos últimos anos.

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Em 2016, o Brasil ratificou o Acordo de Paris de 2015, comprometendo-se oficialmente junto às Nações Unidas em reduzir as emissões de gases de efeito estufa em 37% abaixo dos níveis de 2005, em 2025, com uma contribuição indicativa subsequente de reduzir as emissões de gases de efeito estufa em 43% abaixo dos níveis de 2005, em 2030.

Para isso, o país se comprometeu a aumentar a participação de bioenergia sustentável na sua matriz energética para aproximadamente 18% até 2030, restaurar e reflorestar 12 milhões de hectares de florestas, bem como alcançar uma participação estimada de 45% de energias renováveis na composição da matriz energética em 2030 (MMA, 2021).

Os dados da Tabela 1 mostram que até 2019 o Brasil havia reduzido as suas emissões em 17% pela redução do desmatamento, enquanto que em todas as outras categorias as emissões aumentaram. Sabemos que desde 2019, o desmatamento tem aumentado, ou seja, pioramos de 2019 para cá.

Pode-se observar também nos dados da Tabela 1 que a indústria é responsável por pouco menos do que 5% das emissões, a produção de energia responde por quase 20% do total e o desmatamento é responsável por quase metade das nossas emissões.

A indústria brasileira é a sétima maior emissora de CO2 equivalente do mundo (China, Índia e EUA ocupam o pódio desse ranking), responsável por 2% do total do setor. Das nossas emissões industriais, 48,3% são atribuídas à produção de metais, 27,8% aos produtos minerais (essencialmente cimento e cal), 19,2% são emissões de HFC, e 3,8% são devidos à Indústria Química.

Destas, 53,2% são devido à produção de amônia, 17,4% devido à produção de negro de fumo e 5,7% ácido nítrico (SEEG Brasil, 2021).

Se o Brasil visa uma transição para uma economia de baixo-carbono e, considerando que as restrições em relação às emissões de gases de efeito estufa (GEE) são uma necessidade real, um compromisso oficial do país e uma necessidade dadas as crescentes disputas comerciais com outros países, há a necessidade de redução de emissões de CO2 num curto prazo.

Então, processos e tecnologias para mitigação, como a captura e armazenamento, geológico ou florestal, de carbono devem ser considerados.

Segundo Santos (2021), enquanto os Estados Unidos desenvolvem a captura geológica do CO2 há quase 50 anos, tendo 14 das 28 instalações em atividade consideradas de larga escala no mundo, no Brasil há apenas uma instalação – um projeto de Recuperação Melhorada de Petróleo (Enhanced Oil Recovery – EOR, na qual se injeta CO2 para aumentar a produção de óleo) em zona offshore, no campo de Lula, operado pela Petrobrás.

Ainda segundo a autora, a “falta de legislação federal ainda é o principal entrave no desenvolvimento da atividade, em que questões como participação da sociedade civil mediante consultas públicas, acesso à informação, monitoramento de instalações e transferência de responsabilidade são indispensáveis no estabelecimento da segurança jurídica e social capaz de atrair investimentos”.

Química e Derivados - André Bernardo é Engenheiro Químico
André Bernardo é Engenheiro Químico

A captura geológica de CO2 é praticamente uma prerrogativa da indústria de óleo e gás, ou das usinas termoelétricas. A captura por meio do reflorestamento seria mais simples. O Brasil se comprometeu com reflorestamento de 12 milhões de hectares.

Devemos esperar uma ação concreta do governo? Quantos milhões de árvores ou centenas de hectares a indústria química brasileira planta por ano? E eu não estou me referindo aqui a eucaliptos para celulose ou à cana-de-açúcar. Sim, tanto a cana quanto os eucaliptos retiram gás carbônico da atmosfera produzindo energia renovável, combustível e eletricidade.

Contudo, se o Brasil por meio de sua indústria química recuperasse muitos hectares da nossa vegetação nativa por ano, certamente produtores nacionais e subsidiárias locais de multinacionais teriam um trunfo contra seus pares internacionais.

Referências

A Raza, R Gholami, R Rezaeec, V Rasoulid, M Rabieid. Significant aspects of carbon capture and storage – A review. Petroleum 5 (2019) 335–340, https://doi.org/10.1016/j.petlm.2018.12.007.

B Olfe-Kräutlein, H Naims, T Bruhn, AML Lafuente, M Tobias. CO2 as an Asset? IASS fact sheet 2/2014.

DYC Leung, G Caramanna, MM Maroto-Valer. An overview of current status of carbon dioxide capture and storage technologies, Renewable and Sustainable Energy Reviews 39 (2014) 426–443, http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2014.07.093.

JF Bastin, Y Finegold, C GarciaD Mollicone, M Rezende, D Routh, CM. Zohner, TW. Crowther, The global tree restoration potential, 2019 Science 76-79 365(6448) doi:10.1126/science.aax0848

KF Santos. Aspectos Jurídicos da Captura e Armazenamento de CO2 no Brasil – Desafios e Oportunidades. Dissertação (Mestrado) — Universidade Santa Cecília, Programa de Pós-Graduação em Auditoria Ambiental, Santos, SP, 2021.

MMA, 2021. Acordo de Paris. Disponível em: https://antigo.mma.gov.br/clima/convencao-das-nacoes-unidas/acordo-de-paris.html. Acessado em Outubro de 2021.

NS Sifat, Y Haseli. A Critical Review of CO2 Capture Technologies and Prospects for Clean Power Generation, Energies 2019, 12, 4143; doi:10.3390/en12214143.

S Bringezu. Carbon Recycling for Renewable Materials and Energy Supply Recent Trends, Long-Term Options, and Challenges for Research and Development, Journal of Industrial Ecology, Volume 18, Number 3, 327-340, 2014. DOI: 10.1111/jiec.12099.

SEEG Brasil, 2021. Emissões totais. Disponível em: https://plataforma.seeg.eco.br/total_emission#. Acessado em Outubro de 2021.

O AUTOR

André Bernardo é Engenheiro Químico formado na Escola Politécnica da USP, com mestrado em Desenvolvimento de Processos Biotecnológicos pela Faculdade de Engenharia Química da Unicamp e Doutorado em Engenharia Química pela UFSCar. Trabalhou no Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT) e em diferentes indústrias químicas. Atualmente é professor do departamento de Engenharia Química da UFSCar. contato: abernardo@ufscar.br

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A Associação Brasileira de Engenharia Química (ABEQ) é uma entidade sem fins lucrativos que congrega profissionais e empresas interessadas no desenvolvimento da Engenharia Química no Brasil. É filiada à Confederação Interamericana de Engenharia Química. Seu Conselho Superior, Diretoria e Diretoria das Seções Regionais são eleitos pelos associados a cada dois anos.
Mais informações: https://www.abeq.org.br/

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