Esta é parte de uma série de quatro partes sobre captura e utilização de carbono (CCU), a crescente indústria dedicada ao uso do dióxido de carbono capturado da atmosfera para combater a mudança climática. A primeira parte introduz CCU e suas formas básicas, e a segunda parte é sobre o aumento da recuperação de petróleo, o maior uso atual de CO2. O quarto post considera como os formuladores de políticas devem abordar as tecnologias de CCU.

É bem entendido neste ponto que o dióxido de carbono é um poluente mortal que está aquecendo a atmosfera. O que é menos bem compreendido é que o CO2 é também uma matéria-prima útil, um insumo para uma variedade de processos industriais. Do plástico ao concreto, o CO2 é um bloco básico de construção industrial – uma mercadoria valiosa.

Para muitos defensores do clima, isto sugere que talvez devêssemos usá-lo mais. Talvez, se as indústrias que usam CO2 pudessem ser incentivadas a aumentar seu uso, poderíamos usar o suficiente para diminuir substancialmente a quantidade que emitimos para a atmosfera.

Utilizar mais; emitir menos. Essa é a idéia básica por trás da captura e utilização de carbono (CCU), um dos tópicos mais quentes em energia limpa nos dias de hoje.

No meu primeiro post nesta série, introduzi o conceito de CCU e suas formas básicas. No segundo, eu dei uma olhada de perto no que é atualmente o uso industrial mais comum de CO2, ou seja, a recuperação de petróleo (EOR), onde o CO2 é injetado em poços gastos para espremer mais petróleo e gás. (É complicado.)

Neste post, vamos dar uma olhada nos outros usos industriais do CO2 para tentar ter uma idéia de como eles são viáveis, qual seu potencial total e se eles podem desempenhar um papel significativo na luta contra a mudança climática. Tempos divertidos!

Uma nota importante: Para os fins deste post, estou olhando para os processos industriais. Eles envolvem a retirada de CO2 do ar – seja dos gases de combustão das instalações industriais, via captura tradicional de carbono, ou do ar ambiente, via captura direta de ar (DAC) – concentrando-o e usando-o como matéria-prima industrial.

Há também uma série de formas naturais de recolher mais CO2, desde o plantio de mais florestas até ao sequestro de mais carbono no solo. São interessantes e de escala potencialmente significativa, mas merecem o seu próprio posto. Este posto é sobre máquinas.

Engenharia de Carbono

Três formas importantes de avaliar as tecnologias de CCU

Antes de entrarmos nas várias formas de CCU, vamos ter em mente três perguntas importantes que precisamos fazer sobre todas elas enquanto tomamos suas medidas.

As perguntas são extraídas de uma revisão gigante da literatura sobre CCU, recentemente publicada na revista Nature, que avaliou mais de 11.000 artigos e foi acompanhada por uma pesquisa de opinião de especialistas. Ela ajuda a trazer em foco as principais métricas envolvidas na avaliação dessas tecnologias.

A primeira pergunta é: a tecnologia CCU produz algum benefício climático? Ela reduz as emissões de carbono, e se sim, quanto? Sequestra carbono, e se sim, por quanto tempo?

Existem aqui alguns conceitos sobrepostos que muitas vezes se confundem no diálogo popular, por isso vale a pena distingui-los. Eis como o papel da Natureza faz:

• CO2u: utilização de CO2
• CO2ρ: redução das emissões de CO2 em relação à linha de base
• CO2r: remoção de CO2 da atmosfera
• CO2s: armazenamento de CO2

Sociedade Real

Diferentes tecnologias de CCU envolvem diferentes misturas destas. A determinação do impacto de carbono líquido de uma tecnologia CCU envolve a análise do ciclo de vida (ACV) que leva em conta onde o CO2 é originário, quanta energia é utilizada na produção, de onde vem a energia, quanto CO2 é liberado durante a produção, se algum do CO2 liberado é capturado, como o produto é eventualmente descartado e o que teria acontecido na ausência da produção. (O LCA é diabolicamente complicado e não há atualmente normas amplamente compartilhadas que regulem como isso é feito.)

Alguns usos do CO2 – digamos, fazer combustíveis líquidos que substituam a gasolina e o diesel – apenas fixam o carbono até que o combustível seja queimado, momento em que ele é relançado na atmosfera. Eles não removem o CO2 da atmosfera, mas o reciclam uma vez e depois o recolocam; o papel da natureza os chama de processos de “ciclagem”. Mas ao substituírem um processo neutro em carbono por um processo intensivo em carbono, reduzem as emissões líquidas (CO2ρ) em relação ao que teria acontecido de outra forma.

Outros usos do CO2 – digamos, como parte do processo de produção de cimento – fixam o carbono por muito mais tempo. O concreto não vai manter permanentemente o CO2 fora da atmosfera, mas poderia plausivelmente armazená-lo por um século ou mais, portanto, para todos os efeitos, ele conta como armazenamento de carbono (CO2s). O artigo da Nature chama esses processos “fechados”.

LCA é complexo, e os detalhes importam, mas uma conclusão geral da literatura é que “o potencial de redução de emissões líquidas é muito maior do que para remoções líquidas, o que parece muito modesto”. Em geral, CCU provavelmente não resultará em muito CO2, mas poderia produzir consideráveis CO2ρ.

Avaliar o benefício climático de diferentes opções de CCU é fundamental. Os decisores políticos devem ter sempre em mente que a CCU não é uma boa opção em si mesma. Só vale a pena persegui-la na medida em que ela faz uma diferença climática significativa.

A segunda questão é, qual é a escala potencial da tecnologia da CCU? Se é um produto especializado ou de baixo volume, pode não valer o esforço de R&D para descobrir como fazê-lo funcionar comercialmente com o CO2 capturado. É lógico que os formuladores de políticas e investidores devem priorizar sua atenção e recursos com base nas tecnologias com o maior potencial total. (Vamos olhar para um ranking de tecnologias por potencial em um momento.)

E a terceira pergunta é, até onde está a tecnologia CCU na curva de aprendizado? É uma tecnologia especulativa que existe principalmente no laboratório e alguns projetos piloto, como combustíveis líquidos sintéticos, ou é uma tecnologia estabelecida com potencial de crescimento de mercado a curto prazo, como o CO2 no cimento?

Todas estas questões são importantes na avaliação do potencial das tecnologias de CCU para fornecer soluções climáticas práticas.

Então quais são essas tecnologias? Vamos dar uma olhada em algumas delas.

Natureza

(Há muitas formas diferentes de dividi-las; a minha lista é um pouco um mash-up do artigo sobre a Natureza acima referido e este roteiro exaustivo de 2016 conduzido pela Lux Research for the Global CO2 Initiative.)

Materiais de construção de betão

Existem aqui várias tecnologias, todas relacionadas com o betão, que é uma mistura de cimento, água e agregados. O cimento é um pó fino que, quando ativado pela água, liga os agregados em uma mistura rígida.

Primeiro, os agregados – que são incorporados ao concreto, asfalto e preenchimento da construção – podem ser feitos convertendo o CO2 gasoso em carbonatos minerais sólidos como o carbonato de cálcio (CaCO3), um processo conhecido como “mineralização do CO2”. (Ver Planeta Azul.)

Segundo, o CO2 pode ser substituído pela água no concreto “curado” durante sua mistura, resultando em uma mineralização semelhante. Acontece que isto realmente torna o concreto resultante mais forte, além de economizar muita água. (Veja, por exemplo, Solidia e CarbonCure.)

Terceiro, o cimento pode ser gradualmente eliminado em favor de novos agentes de ligação que absorvem e mineralizam o CO2. (Veja CO2 Concreto.)

Quarto, e mais especulativo, é uma tecnologia promissora sendo empurrada pelo projeto de Cal de Baixa Intensidade de Emissões da UE & Cimento (LEILAC). O processo de produção de cimento e cal envolve reacções químicas (não a combustão de combustíveis fósseis) que libertam inevitavelmente CO2. LEILAC procura ajustar o processo de modo a criar um fluxo de resíduos de CO2 purificado que possa ser facilmente capturado e sequestrado ou reutilizado.

Pelo menos em teoria, pode-se imaginar emissões de CO2 purificado do processo de fabricação do cimento capturado e depois reinjetado no processo como um agente de ligação mineralizante de CO2 é misturado com agregados à base de CO2. Se todas essas peças pudessem ser alinhadas – e para ser claro, isso ainda não está sendo feito em nenhum lugar do mundo – os materiais de construção resultantes poderiam ter a pretensão de ser verdadeiramente negativos em termos de carbono, com base no ciclo de vida. Eles não só reduziriam as emissões líquidas (CO2ρ), como armazenariam semipermanentemente carbono (CO2s).

Mas, resumindo, mesmo que o cimento alcance apenas CO2ρ, e não o CO2s, a oportunidade aqui é grande e imediata. Essas tecnologias (pelo menos as duas primeiras) são estabelecidas e de energia relativamente baixa; elas poderiam resultar potencialmente em seqüestro de carbono na escala de bilhões de toneladas.

Combustíveis líquidos

Hoje, combustíveis líquidos – gasolina, diesel e variantes mais raras como o jet fuel – são feitos pelo refino de hidrocarbonetos perfurados do subsolo. Eles podem ser feitos com carbono do ar.

“Combustíveis sintéticos” podem ser feitos de muitas maneiras diferentes, através de muitos processos e químicas diferentes, resultando em uma variedade de combustíveis. Existem combustíveis sintéticos que podem substituir qualquer combustível líquido.

A maneira mais simples de pensar sobre eles é como uma mistura de três coisas: uma molécula à base de carbono (geralmente CO2), hidrogênio, e energia. A energia é usada para extrair o oxigênio do carbono e colar o carbono no hidrogênio. Assim “hidrocarbonetos”

A intensidade de carbono dos combustíveis resultantes depende da fonte dos três componentes: o CO2, a eletricidade e o hidrogênio.

Se o CO2 vem de depósitos subterrâneos, a eletricidade vem de combustíveis fósseis, e o hidrogênio vem da reforma a vapor do gás natural (como cerca de 95% do hidrogênio faz hoje em dia), o combustível resultante é extremamente carbônico.

Se o CO2 vem do ar ambiente, a eletricidade vem de energias renováveis, e o hidrogênio vem da eletrólise solar (que retira o hidrogênio diretamente da água), o combustível resultante é extremamente baixo em carbono.

Combustíveis líquidos neutros em carbono são quase certamente o maior mercado potencial para o CO2. Existem muitos combustíveis líquidos no mundo e existem mercados para alternativas mais limpas, inclusive em estados como Califórnia e Oregon com um padrão de combustível de baixo carbono (LCFS).

HyTech Power

Reduzir o custo da captura de carbono ajudaria com os combustíveis sintéticos, mas são os outros dois ingredientes, hidrogênio e energia, que representam uma porção maior dos custos. É preciso muita energia para eletrólise do hidrogênio e é preciso ainda mais para separar o CO2. Toda essa energia custa dinheiro.

Energia renovável extremamente barata é a chave para fazer funcionar combustíveis sintéticos neutros em carbono, porque é a chave para o hidrogênio barato, e produzir combustíveis sintéticos em escala vai exigir muito hidrogênio. Em um relatório especial sobre setores difíceis de descarbonizar, como a indústria e as viagens aéreas, a Comissão de Transição de Energia enfatizou a necessidade de combustíveis sintéticos e, portanto, a necessidade de hidrogênio: “Atingir uma economia de emissões net-zero-CO2 exigirá um aumento na produção global de hidrogênio de 60 por ano hoje para algo como 425-650 Mt em meados do século.”

Even se o hidrogênio não desempenhar um grande papel direto no transporte (provavelmente não terá), ele ainda será necessário para os combustíveis sintéticos, que são eles mesmos necessários para descarbonizar setores de difícil acesso, como a indústria. Para tornar possível a eletrólise do “hidrogênio verde”, a energia renovável precisa ser realmente barata.

Há muitos analistas que pensam que a energia solar em escala de uso em boas localidades estará produzindo a eletricidade mais barata do mundo em breve, abaixo de $20 ou até mesmo $10 por megawatt-hora. E haverá períodos de excesso de energia solar que precisam ser absorvidos, energia que de outra forma poderia ter sido desperdiçada.

“Embora a produção de hidrocarbonetos mais complexos seja energética e, portanto, economicamente cara”, diz o Nature paper, “reduções rápidas de custos podem potencialmente ocorrer se a energia renovável – o que representa uma grande proporção do custo total – continuar a ser mais barata, e se a política estimular outras reduções de custos”.”

Com efeito, os combustíveis sintéticos não existem hoje em dia em qualquer tipo de escala de mercado (“os fluxos actuais são quase nulos”, como diz o Nature paper), mas se tudo se unir para os apoiar, é concebível que possam captar uma parte substancial do mercado global de combustíveis, o que não é pouca coisa. Não é CO2, mas é um monte de CO2ρ.

Para ser claro: o futuro é a eletrificação. Quando se trata de descarbonização, é sempre melhor eletrificar os usos finais de energia – usar a eletricidade diretamente, em vez de perder uma grande fração dela para conversões – mas mesmo em cenários otimistas, haverá setores que são difíceis de eletrificar.

Combustíveis líquidos neutros em carbono para setores que são difíceis de descarbonizar são tanto um grande mercado quanto uma peça chave do quebra-cabeça da descarbonização.

MIT

Químicos e plásticos

Utilizando vários catalisadores, o CO2 pode ser transformado em uma variedade de intermediários químicos – materiais que depois servem como matéria-prima em outros processos industriais, como metanol, syngas e ácido fórmico.

CO2 também pode ser transformado por catalisadores em polímeros, os precursores para plásticos, adesivos e produtos farmacêuticos. Por enquanto, os polímeros derivados de CO2 são bastante caros, mas os plásticos são outro mercado potencialmente substancial – eles representam uma fração crescente da demanda por combustíveis fósseis líquidos. E eles têm uma vida útil de décadas a séculos, por isso apresentam algum potencial para CO2s.

Actualmente, apenas algumas aplicações químicas de CO2 são comercializadas em escala, incluindo a produção de polióis de uréia e policarbonato.

Algas

O CO2 capturado pode ser utilizado para acelerar o crescimento das algas, que têm a capacidade de absorver muito mais, muito mais rapidamente, do que qualquer outra fonte de biomassa. E as algas são de utilidade única. Pode servir como matéria-prima para alimentos, biocombustíveis, plásticos e até mesmo fibra de carbono (ver nº 5). Vale notar que há cerca de cinco anos atrás, as algas eram vistas como uma espécie de planta-maravilha, mas o setor não decolou e muitas das primeiras empresas foram abaixo.

Materiais novos

Aqui onde encontramos mercados mais especulativos, de vanguarda, mas potencialmente importantes. O CO2 pode ser transformado em materiais de alto desempenho – compósitos de carbono, fibra de carbono, grafeno – que poderiam substituir toda uma gama de materiais, desde metais até concreto.

Por exemplo, a equipe da C2CNT está usando “eletrólise fundida” para transformar CO2 diretamente em nanotubos de carbono, que são mais fortes que o aço e altamente condutivos. Eles já são usados em aplicações high-end como o Boeing Dreamliner e alguns carros esportivos. Mas à medida que se tornam mais baratos, quase não há tecto no mercado.

Para dar apenas um exemplo, pense em substituir os nanotubos de carbono por cobre na cablagem eléctrica. (Graças a Adam Siegel por apontar essa idéia.) Praticamente toda aplicação de eletricidade, desde a estação espacial até veículos elétricos e eletrodomésticos, se beneficiaria de fios mais leves que conduzem melhor.

E depois há o aço, o metal mais usado no mundo, responsável por entre 7% e 9% das emissões globais de CO2 dos combustíveis fósseis. Se materiais baseados em carbono pudessem ser substituídos pelo aço em qualquer escala real, isso poderia significar bilhões de toneladas de emissões reduzidas, para não mencionar o sequestro permanente de carbono.

De fato, este tipo de pesquisa de materiais ainda está em seus estágios iniciais e levará alguns avanços tecnológicos para reduzir custos o suficiente para começar a deslocar outros materiais em escala. Por enquanto, os materiais de carbono estão se firmando nos mercados de boutique.

Comparando tecnologias de CCU sobre custo e potencial

O papel da Natureza comparou 10 caminhos diferentes de CCU, incluindo os naturais, que eu excluí aqui, e EOR, que eu cobri no meu último post. Portanto, o quadro abaixo contém algumas informações estranhas para os nossos propósitos. No entanto, vale a pena examinar de perto, pois mostra os caminhos por custos, potencial para uso de CO2 e por prontidão tecnológica (TRL). Existem dois cenários, refletindo o baixo e o alto das projeções.

Nature

Zero no eixo vertical é o atual “breakeven cost” (em dólares de 2015), o ponto em que uma tecnologia é competitiva com os operadores históricos. Aqueles abaixo dessa linha já são competitivos. Aqueles acima da linha precisariam de um subsídio proporcional de algum tipo para competir.

A largura das barras indica a quantidade de CO2 que a tecnologia poderia utilizar anualmente até 2050 (com base em projeções e opinião de especialistas). E a cor de uma barra indica seu TRL.

Baseado no cenário otimista, algumas das vias químicas (poliol, uréia e metanol) já são competitivas em termos de custo, embora seu potencial de uso de CO2 seja relativamente pequeno, próximo a um gigaton cumulativamente.

As vias de concreto (agregados e cura) são bastante próximas da competição de custo e a cura em particular tem um potencial bastante grande, especialmente quando se considera que seu CO2 conta duas vezes, uma como redução de emissões, outra como armazenamento permanente.

Troublicamente, as vias industriais de tecnologia CCU com o potencial mais total de uso de CO2 são as mais caras em relação aos operadores históricos.

Compartilhamento, combustíveis líquidos sintéticos (metanol, metano, éter dimetílico e combustíveis Fischer-Tropsch) poderiam usar mais de 4 gigatoneladas de CO2 por ano até 2050. (A título de comparação, as emissões globais de CO2 em 2018 eram de cerca de 37 gigatons.) Mas eles precisam atualmente de algo como $500 por tonelada de subsídio de CO2 para competir.

No entanto, como diz o Nature paper, “muitas tecnologias estão em estágio muito inicial de desenvolvimento, e a otimização de custos através de pesquisa e desenvolvimento poderia mudar substancialmente estas estimativas”. Se há uma meta para R&D que parece óbvia, é a dos combustíveis sintéticos.

Aqui está a mesma informação em forma de tabela, se é essa a sua coisa:

Nature

Uma coisa que a tabela deixa claro é que os intervalos em algumas dessas projeções são extremamente amplos ($0 a $670?), refletindo o enorme grau de incerteza envolvido.

Como estas tecnologias CCU se desenvolvem dependerão da curva de preços das energias renováveis, da curva de preços do hidrogénio verde, dos desenvolvimentos numa gama de mercados e do nível de R&D e do apoio político que recebem dos legisladores. Todas elas são individualmente difíceis de prever; saber como elas podem interagir até 2050 é um jogo de adivinhação educada.

CCU pode fazer mais se houver uma política de apoio

As conclusões do Nature paper refletem a média de um grande número de estudos e especialistas, tentando determinar os custos atuais e o que vai acontecer.

Mas vale a pena dar pelo menos uma olhada rápida em algumas estimativas mais otimistas do que poderia acontecer com a política de apoio.

Em 2016, a Global CO2 Initiative encomendou um roteiro abrangente para a CCU à Lux Research. Ele não apenas projetou como as tecnologias de CCU poderiam ser escalonadas sob negócios como de costume, mas também como elas poderiam escalonar se as recomendações de políticas no roteiro fossem seguidas.

Aqui está como o roteiro avalia o potencial de redução de CO de várias tecnologias de CCU:

GCI

Como você pode ver, seguindo as “ações estratégicas” recomendadas pelo relatório poderia expandir radicalmente o potencial de absorção de CO2 tanto dos agregados quanto dos combustíveis sintéticos. O roteiro estima que, no limite superior, “mais de 10% das emissões anuais de CO2 podem ser capturadas nestes produtos”.

Aqui está o potencial total de receita dos mercados de CCU:

Abater, combustíveis e agregados mostram um enorme potencial, crescendo dez ou vinte vezes mais sob uma boa política. O roteiro estima que a receita global anual dos mercados combinados poderá atingir entre 800 bilhões e 1,1 trilhão de dólares até 2030.

Como eu disse, todas estas são estimativas tênues, mas ainda assim, se as tecnologias de CCU poderiam potencialmente evoluir para um negócio de mais de US$1 trilhão que reduz as emissões globais em 10%, elas parecem valer a pena um sério investimento de atenção e recursos. Quanto mais pudermos usar, menos emitiremos.

Como os formuladores de políticas devem abordar as tecnologias de CCU? Qual é a forma correta de apoiá-las e, de forma mais ampla, a forma correta de pensar sobre elas no contexto da maior luta climática? Vou abordar essas questões no meu próximo post.