A captura de carbono e o caminho para o Net Zero
É paradoxal que, embora o dióxido de carbono (CO2) seja essencial para toda a vida vegetal na Terra, da qual depende toda a vida animal e humana, o excesso desse gás essencial na atmosfera está causando o aquecimento global, ameaçando a própria sobrevivência de algumas populações.
O problema das emissões de CO2 decorrentes do aumento da queima de combustíveis fósseis remonta ao século XVIII, com o início da revolução industrial em certos países. Hoje, os cientistas estimam que o aumento nas temperaturas médias globais deve atingir 1,5oC entre 2030 e 2052 (Figura 1). O volume de emissões de CO2 é exacerbado pela industrialização, urbanização e pelo rápido crescimento populacional mundial (Figura 2).
A 21ª Conferência das Partes sobre Mudanças Climáticas (COP21), em 2015, adotou uma meta ambiciosa chamada ‘corrida para o zero’ até 2050. Esse objetivo monumental de eliminar completamente as emissões líquidas de carbono em menos de 30 anos exigirá mudanças universais nos processos industriais globais e nas práticas energéticas domésticas. Os métodos mais conhecidos para atingir esse objetivo envolvem várias formas sustentáveis de geração de energia, como a eólica e a solar; no entanto, uma abordagem menos divulgada, mas igualmente importante, é a captura de CO2 na fonte ou diretamente da atmosfera (captura de carbono). As tecnologias envolvidas são limitadas por altos custos e capacidade de armazenamento um tanto restrita, portanto, atualmente, apenas 0,1% das emissões globais de CO2 são sequestradas; prevê-se que esse número suba para 19% até 2050. Os esforços de pesquisa em tecnologia de captura de carbono aumentaram nos últimos anos, mas, até o momento, poucas aplicações foram implantadas comercialmente. Com a crescente conscientização pública e a urgência em torno da prevenção ou redução das mudanças climáticas, a pressão aumenta para desenvolver tecnologias de captura de carbono mais eficientes.
Captura de carbono no CAS Content Collection™
O CAS Content Collection™ é a maior coleção de conhecimento científico publicado com curadoria humana, adequada para análise quantitativa de publicações científicas globais em relação a variáveis como tempo, área de pesquisa, formulação, aplicação e composição química. Para avaliar o esforço de pesquisa recente e contínuo em captura de carbono, um novo e importante CAS Insight fornece uma visão geral das últimas tendências. O Insight resume os resultados de uma extensa análise recente (aprox. 18.500 documentos publicados entre 2000 e 2021) detalhando termos relacionados à captura de carbono, incluindo métodos empregados, armazenamento ou conversão, que foram usados em combinação com termos relacionados ao CO2 atmosférico ou seu efeito ambiental.
Principais tendências de pesquisa e métodos de captura de carbono
A análise da literatura revelou que, desde 2008, houve um rápido aumento em todas as publicações sobre captura e armazenamento de carbono, que desacelerou após meados da década de 2010, mas que, mais recentemente, voltou a crescer. Isso pode refletir as condições econômicas predominantes e a urgência percebida, mas também parece estar ligado aos preços do petróleo. Quando os preços do petróleo estão baixos, a captura de carbono parece cara demais, portanto, os esforços de sequestro e armazenamento tendem a ser limitados. A análise recuperou um pequeno número (10%) de patentes relacionadas à captura de carbono, indicando baixo interesse comercial nessa tecnologia; recentemente, no entanto, os números mostraram um crescimento acentuado e encorajador.
As várias abordagens para capturar carbono dividem-se em quatro categorias: ciência dos materiais, biológica, química e geológica.
Abordagens de ciência dos materiais
As abordagens de ciência dos materiais, incluindo sistemas para captura de carbono a partir de gases de combustão, estão resumidas na Figura 3 e na Tabela 1. Entre elas, a captura pós-combustão é a mais utilizada, sendo adequada para adaptação em chaminés de usinas de energia existentes, mas consome muita energia e, portanto, é cara de operar. Um método emergente, a captura direta do ar, na qual o CO2 é capturado diretamente do ar, pode ter uma ampla aplicação, mas esse processo é dificultado pela baixa concentração de CO2 atmosférico e tem um custo elevado.
Tabela 1. Métodos de ciência dos materiais: comparação de processos de captura de CO2
Os principais métodos de captura de carbono a partir de gases de combustão estão resumidos na Tabela 2. Eles incluem absorção química com solução alcalina e absorção física utilizando solventes não corrosivos, como metanol ou Selexol. Outras abordagens incluem adsorção em adsorventes sólidos porosos, que é bem estudada, e filtração por membrana, uma tecnologia emergente, mas ainda pouco utilizada devido à baixa eficiência na separação de CO2.
Tabela 2. Métodos de ciência dos materiais: comparação de métodos de captura de CO2
Abordagens biológicas
Abordagens biológicas para a captura de carbono aproveitam, em grande parte, a fotossíntese, responsável pelo maior fluxo de CO2 na Terra. Diversos materiais vegetais, como madeira ou algas, são convertidos em biocombustíveis (biomassa) para combustão, criando processos sustentáveis e neutros em carbono. Tecnologias baseadas em enzimas têm potencial como alternativas aos sistemas biológicos. Um exemplo fundamental é a 1,5-bisfosfato carboxilase/oxigenase (RubisCO) – uma enzima altamente abundante e estudada. Sua captura de CO2, no entanto, é naturalmente lenta, mas trabalhos em curso visam aumentar a atividade da RubisCO para criar processos industrialmente viáveis.
Abordagens químicas
Existem também múltiplos métodos químicos de captura de carbono, como processos catalíticos envolvendo redução com hidrogênio, amplamente implementados em escala de várias toneladas. Outros métodos muito utilizados incluem processos eletroquímicos, nos quais prótons e um catalisador são usados para reduzir o CO2. Processos fotoquímicos, fototérmicos e fotoeletroquímicos que utilizam energia limpa são uma perspectiva interessante, mas, até o momento, são limitados pela transferência eficiente de energia luminosa para um substrato. Processos baseados em plasma também têm potencial, mas exigem alta energia e mais desenvolvimento para uso na captura de carbono.
Abordagens geológicas
Métodos geológicos de captura de carbono são uma solução fundamental para o armazenamento de longo prazo de CO2 longe da atmosfera. O CO2 capturado pode ser comprimido, transportado e injetado em formações geológicas porosas profundas ou aquíferos salinos. Esse processo tem capacidade para armazenar gigatoneladas de CO2, mas a seleção de locais adequados é crítica.
Análise da literatura do CAS sobre captura de carbono
A análise da literatura do CAS revelou uma baixa taxa de publicações sobre captura de CO2 antes de 2007, seguida por um pico no início da década de 2010 e posterior estabilização (Figura 4). Houve menos publicações sobre pré-combustão e combustão com oxigênio, provavelmente devido à dificuldade econômica de adaptar as instalações atuais, mas esses números aumentaram recentemente. O depósito de patentes parece ter crescido em 2012 e depois se estabilizado, indicando interesse comercial contínuo.
A análise do CAS também mostrou que as publicações sobre vários métodos químicos de conversão de CO2 aumentaram rapidamente nos últimos seis anos em comparação com os anos anteriores (Figura 5). Entre eles, a metanação, os processos mediados por plasma e os métodos de deslocamento reverso da água-gás despertaram maior interesse.
O número de publicações indica um rápido aumento no interesse pela fixação biológica de CO2, mas o depósito de patentes tem sido constante, refletindo poucas tecnologias prontas para comercialização (Figura 6). Publicações sobre Bioenergia com Captura e Armazenamento de Carbono (BECCS), no entanto, mostraram forte interesse.
As publicações sobre o armazenamento geológico de CO2 aumentaram de forma constante, atingindo o pico em 2013, mas declinaram posteriormente (Figura 7). Termos de busca incluindo ‘aquífero’, ‘salino’, ‘salmoura’, ‘folhelho’ e ‘clatrato’ encontraram mais publicações do que outros nos últimos anos, refletindo maior interesse nesses tipos de armazenamento.
Transformando o sonho em realidade
A análise da literatura do CAS de 18.500 publicações indica um interesse substancial e crescente em muitas das diferentes abordagens para o sequestro de CO2 Atualmente, nenhum método predomina; poucos foram colocados em uso generalizado, mas a análise indica um esforço de pesquisa considerável para aproveitar tecnologias existentes e desenvolver novas. O número de depósitos de patentes foi menor que o de artigos de pesquisa, mas mostrou interesse comercial em algumas tecnologias. Os resultados mais recentes provavelmente refletem uma maior conscientização pública sobre o aquecimento global e a percepção de que ações para combatê-lo são imperativas. A aparente correlação entre atividade de pesquisa, condições econômicas e preço do petróleo pode diminuir à medida que a urgência aumenta. As tendências de publicação determinadas pelo CAS sugerem que o ritmo de pesquisa e implementação tecnológica provavelmente continuará em um nível que só era sonhado em 2000, agora impulsionado pelas realidades cada vez mais evidentes do aquecimento global.
