Cientistas revelam o sistema de captura de carbono mais barato

Capturando CO₂ antes de flutuar na atmosfera é um componente-chave para retardar o aquecimento global. A criação de incentivos para que os maiores emissores adotem a tecnologia de captura de carbono, entretanto, é um importante precursor. O alto custo da tecnologia de captura comercial é uma barreira de longa data para seu uso generalizado.

Os cientistas do PNNL acreditam que o metanol pode fornecer esse incentivo. Possui muitos usos como combustível, solvente e um ingrediente importante em plásticos, tintas, materiais de construção e peças de automóveis. Convertendo CO₂ em substâncias úteis como o metanol oferece um caminho para entidades industriais capturarem e reaproveitarem seu carbono.

O químico do PNNL David Heldebrant, que lidera a equipe de pesquisa por trás da nova tecnologia, compara o sistema à reciclagem. Assim como se pode escolher entre materiais descartáveis ​​e recicláveis, também se pode reciclar o carbono.

“Isso é essencialmente o que estamos tentando fazer aqui”, disse Heldebrant. “Em vez de extrair petróleo do solo para fabricar esses produtos químicos, estamos tentando fazer isso a partir do CO₂ capturado da atmosfera ou de usinas de carvão, para que possa ser reconstituído em coisas úteis. Você está mantendo o carbono vivo, por assim dizer, então não é apenas ‘retire-o do solo, use-o uma vez e jogue-o fora’. Estamos tentando reciclar o CO₂assim como tentamos reciclar outras coisas como vidro, alumínio e plásticos.”

Conforme descrito no jornal Materiais Energéticos Avançados, o novo sistema foi projetado para caber em usinas de energia movidas a carvão, gás ou biomassa, bem como fornos de cimento e usinas siderúrgicas. Usando um solvente de captura desenvolvido pelo PNNL, o sistema capta CO₂ moléculas antes de serem emitidas e depois as converte em substâncias úteis e vendáveis.

Uma longa linha de dominós deve cair antes que o carbono possa ser completamente removido ou totalmente impedido de entrar na atmosfera da Terra. Esse esforço – levando a tecnologia de captura e conversão para o mundo – representa alguns dos primeiros blocos cruciais.

A implantação dessa tecnologia reduzirá as emissões, disse Heldebrant. Mas também poderia ajudar a estimular o desenvolvimento de outras tecnologias de captura de carbono e estabelecer um mercado para CO₂– contendo materiais. Com esse mercado em vigor, o carbono apreendido pelas tecnologias antecipadas de captura direta do ar poderia ser melhor reconstituído em materiais de vida mais longa.

A chamada para a captura de carbono mais barata

Em abril de 2022, o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas emitiu seu relatório do Grupo de Trabalho III com foco na mitigação das mudanças climáticas. Entre as medidas de limitação de emissões delineadas, a captura e armazenamento de carbono foi apontada como um elemento necessário para alcançar emissões líquidas zero, especialmente em setores difíceis de descarbonizar, como siderurgia e produção química.

“Reduzir as emissões na indústria envolverá o uso de materiais de forma mais eficiente, reutilizando e reciclando produtos e minimizando o desperdício”, afirmou o IPCC em um comunicado à imprensa divulgado junto com uma das edições de 2022 do relatório. “Para atingir o CO zero líquido₂ emissões para o carbono necessário na sociedade (por exemplo, plásticos, madeira, combustíveis de aviação, solventes, etc.)”, diz o relatório, “é importante fechar os ciclos de uso de carbono e dióxido de carbono por meio de maior circularidade com reciclagem mecânica e química .”

A pesquisa do PNNL está focada em fazer exatamente isso – em alinhamento com o Carbon Negative Shot do DOE. Ao usar hidrogênio de origem renovável na conversão, a equipe pode produzir metanol com uma pegada de carbono menor do que os métodos convencionais que usam gás natural como matéria-prima. Metanol produzido via CO₂ a conversão poderia se qualificar para políticas e incentivos de mercado destinados a impulsionar a adoção de tecnologias de redução de carbono.

O metanol está entre os produtos químicos mais altamente produzidos em volume. Conhecido como “material de plataforma”, seus usos são amplos. Além do metanol, a equipe pode converter CO₂ em formiato (outra commodity química), metano e outras substâncias.

Resta uma quantidade significativa de trabalho para otimizar e dimensionar esse processo, e pode levar vários anos até que esteja pronto para implantação comercial. Mas, disse Casie Davidson, gerente do setor de mercado de gerenciamento de carbono e energia fóssil do PNNL, substituir as commodities químicas convencionais é apenas o começo. “A abordagem integrada da equipe abre um mundo de novos CO₂ química de conversão. Há uma sensação de que estamos no limiar de um campo totalmente novo de tecnologia de carbono escalável e econômica. É um momento muito emocionante.”

Custos em ruínas

Os sistemas comerciais absorvem o carbono do gás de combustão por cerca de US$ 46 por tonelada métrica de CO₂, de acordo com uma análise do DOE. O objetivo da equipe PNNL é reduzir continuamente os custos, tornando o processo de captura mais eficiente e economicamente competitivo.

A equipe reduziu o custo de captura para US$ 47,10 por tonelada métrica de CO₂ em 2021. Um novo estudo descrito no Jornal de Produção Mais Limpa explora o custo de operar o sistema de metanol usando diferentes solventes de captura desenvolvidos pelo PNNL, e esse valor agora caiu para pouco menos de $ 39 por tonelada métrica de CO₂.

“Observamos três CO₂-solventes de ligação neste novo estudo”, disse o engenheiro químico Yuan Jiang, que liderou a avaliação. tecnologia de captura.”

Diferentes sistemas podem ser usados ​​dependendo da natureza da planta ou forno. Mas, não importa a configuração, os solventes são fundamentais. Nesses sistemas, os solventes lavam o CO₂-gás de combustão rico antes de ser emitido, deixando para trás o CO₂ moléculas agora ligadas dentro desse líquido.

Criando metanol a partir de CO₂ não é novo. Mas a capacidade de capturar carbono e depois convertê-lo em metanol em um sistema de fluxo contínuo é. A captura e a conversão ocorreram tradicionalmente em duas etapas distintas, separadas pela química única e muitas vezes não complementar de cada processo.

“Finalmente estamos garantindo que uma tecnologia possa realizar ambas as etapas e fazê-las bem”, disse Heldebrant, acrescentando que a tecnologia de conversão tradicional normalmente requer CO altamente purificado₂. O novo sistema é o primeiro a criar metanol a partir de CO “sujo”₂.

Reduzindo as emissões de amanhã

O processo de captura de CO₂ e convertê-lo em metanol não é CO₂-negativo. O carbono no metanol é liberado quando queimado ou sequestrado quando o metanol é convertido em substâncias com vida útil mais longa. Mas essa tecnologia “prepara o palco”, disse Heldebrant, para o importante trabalho de manter o carbono preso dentro do material e fora da atmosfera.

Outros materiais alvo incluem poliuretanos, que são encontrados em adesivos, revestimentos e isolamento de espuma, e poliésteres, que são amplamente utilizados em tecidos para têxteis. Assim que os pesquisadores concluírem a química por trás da conversão de CO₂ em materiais que o mantêm fora da atmosfera por escalas de tempo relevantes para o clima, uma ampla rede de sistemas de captura pode ser preparada para executar tais reações.

No lugar das chaminés de hoje, Heldebrant prevê CO₂ refinarias construídas dentro ou ao lado de usinas de energia, onde CO₂– produtos contendo podem ser feitos no local. “Estamos em um ponto de inflexão”, escreveram Heldebrant e seus coautores em um artigo recente publicado na revista ciência química“onde podemos continuar a usar a infraestrutura monolítica de captura e conversão do século 20 ou podemos iniciar a transição para um novo paradigma do século 21 de tecnologias integradas de captura e conversão de carbono baseadas em solvente”.

Esta tecnologia está disponível para licenciamento. Entre em contato com Sara Hunt, gerente de comercialização do PNNL, para saber mais.

Este trabalho foi financiado pelo Fundo de Comercialização de Tecnologia do Departamento de Energia, pelo Escritório de Energia Fóssil e Gerenciamento de Carbono e pela Gás do Sul da Califórnia. Parte do trabalho foi realizado no EMSL, Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais, uma instalação usuária do DOE Office of Science no PNNL.