Ele deixou seu avô, ele deixou sua avó ... Mas ele não poderia escapar das soluções tecnológicas da Toshiba! [música soando edificante da suíte de G. Sviridov “Time, forward!”] ”. Estamos falando do dióxido de carbono (CO2), que se forma a partir de quase todas as atividades industriais, trazendo o apocalipse climático previsto pelos cientistas devido ao “efeito estufa”. Desta vez, falaremos de tecnologias que permitem não só "capturar" o CO2 na saída, mas também transformá-lo em material reciclável para a agricultura, energia e até mesmo para salvar o clima do planeta.
Reuniu de alguma forma um francês, um inglês e um sueco
Em 1824, o cientista francês Joseph Fourier comparou a Terra a uma caixa com tampa de vidro: quando os raios do sol incidem sobre ela, a superfície interna da caixa esquenta, pois o calor não consegue sair dela. Sob a "capa" é necessário entender a atmosfera, e Fourier teoricamente provou que o clima no planeta depende dessa "capa".
35 anos depois, o físico inglês John Tyndall, inspirado nas recentes descobertas da idade do gelo, investigou o efeito dos gases na radiação térmica. Naquela época, as pessoas pensavam que os gases eram completamente permeáveis à radiação térmica. O cientista decidiuteste esta hipótese em laboratório uma a uma nos principais gases atmosféricos (oxigênio, nitrogênio, hidrogênio), e ela foi confirmada. Quando ele estava prestes a sair, ele fixou seu olhar em um dispositivo de laboratório completamente novo - o bico de Bunsen. Ela funcionava com gás de carvão, também chamado de "gás de lâmpada" porque era usado em lanternas.
O queimador de Bunsen funcionava com uma variedade de misturas de gases, incluindo metano, monóxido de carbono e hidrogênio. Fonte: Daderot / Wikimedia Commons
Tendo testado a condutividade térmica do gás de carvão, Tyndall descobriu que ele evita a radiação de calor e, em seguida, descobriu que o dióxido de carbono, em combinação com o vapor de água, também o bloqueia.
Embora o bico de Bunsen - um dos frutos da revolução industrial - "sugerisse" quase diretamente a Tyndall sobre as possíveis consequências dessa revolução para o clima, foi apenas meio século depois que o cientista sueco Svante Arrhenius conseguiu chegar a certas conclusões - em 1896 ele calculou que uma redução no teor de dióxido de carbono pela metade a atmosfera pode levar a eras glaciais e, consequentemente, a queima de combustíveis fósseis no planeta pode sair pela culatra.
É verdade que, naquela época, as suposições de Arrhenius pareciam fantásticas. O problema retornou apenas em meados do século 20, quando as emissões de dióxido de carbono ultrapassaram o nível do século 19 muitas vezes. Na década de 1960, os modelos foram desenvolvidos pela primeira vez, comprovando que já no século 21, devido ao gás carbônico na atmosfera, a temperatura do planeta aumentará vários graus.
O aumento nas emissões de dióxido de carbono é uma consequência direta da industrialização nos países desenvolvidos e, em seguida, na URSS e na China. Fonte: CAIT Climate Data Explorer, World Resources Institute (WRI)
Nesse ínterim, os cientistas realizaram holivars sobre se o CO2 fora de controle mataria o clima a que estamos acostumados e como exatamente faria isso. Os petroleiros criaram CCS - uma tecnologia para capturar e armazenar carbono. Na década de 1950, o dióxido de carbono começou a ser usado em campos onde o petróleo é difícil de separar de várias impurezas: ao contrário de outros gases, o CO2 se dissolve bem no petróleo e na água de formação, o que leva ao aumento do seu volume e à expulsão do óleo móvel residual. Na década de 1970, os cientistas começaram a pensarsobre o uso de dióxido de carbono, que é formado durante a combustão do gás associado em flares. Assim nasceu a tecnologia de captura pós-combustão. Hoje em dia, é cada vez mais utilizado por questões ambientais, e não apenas na produção de petróleo. Como? Vamos falar sobre o exemplo dos projetos da Toshiba no Japão e nos EUA.
Absorva
Nem todo mundo segue o exemplo dos petroleiros e usa o dióxido de carbono como subproduto. Por exemplo, as usinas termelétricas simplesmente não precisam disso, como muitas outras indústrias, de modo que o dióxido de carbono entra na atmosfera. De acordo com a Agência Internacional de Energia, em 2019, a massa total de emissões de CO2 associada à produção de energia foi de 33 bilhões de toneladas.
Enquanto nos países desenvolvidos as emissões de CO2 no setor de energia estagnaram (algumas das barras abaixo da linha branca), nos países em desenvolvimento elas apenas aumentaram (acima da linha branca). Fonte: Agência Internacional de Energia (IEA)
Para reduzir as emissões desnecessárias e dar uma segunda vida ao dióxido de carbono, usamostecnologia secundária de captura e armazenamento de carbono. Baseia-se na absorção química. Como as emissões são compostas por uma mistura de gases, para capturar exatamente o CO2, colocamos uma solução aquosa de aminas no absorvedor com o “escape” da termelétrica. É capaz de capturar CO2 seletivamente em uma determinada temperatura e, inversamente, “liberá-lo” em uma temperatura diferente no stripper.
Desta forma, você pode "capturar" dióxido de carbono em diferentes tipos de estações: carvão, petróleo, gás. Fonte: Toshiba Energy Systems & Solutions
Em setembro de 2009, a Toshiba construiuuma planta piloto para separar e capturar CO2 na Usina Elétrica Mikawa de 50 MW localizada na cidade de Omuta, Prefeitura de Fukuoka, Japão. Aqui, 10 toneladas de CO2 foram capturadas por dia. Para a Toshiba, este foi um projeto piloto para ajustar a tecnologia de captura de dióxido de carbono em escala industrial.
A apenas 35 quilômetros da usina Mikawa fica a cidade de Saga, que desde 2013 faz um curso para minimizar as emissões de substâncias nocivas na atmosfera. Depois de aprender sobre as tecnologias de captura de carbono na planta piloto de Omut, os funcionários da Saga vieram pessoalmente para obter detalhes. E, impressionados com o que viram, eles queriam usar tal instalação em uma usina de incineração de resíduos em sua cidade.
Para fazer isso, a tecnologia teve de ser adaptada e a Toshiba instalou um pequeno sistema de teste para capturar de 10 a 20 kg de CO2 por dia do gás residual da incineração de resíduos. Ao longo de 8.000 horas de operação, a tecnologia foi explorada e também o uso comercial de captura de CO2. O absorvente usado foram as aminas alcalinas, que são bem adequadas para capturar CO2 na mistura de gases de combustão, onde o dióxido de carbono é de apenas 8-14%. Este pequeno sistema de teste teve um bom desempenho e, em agosto de 2016, uma grande instalação de captura de carbono construída pela Toshiba entrou em operação comercial.
O incinerador Saga coleta 10 toneladas de CO2 todos os dias. O dióxido de carbono de alta pureza é então enviado para a fazenda de algas. O dióxido de carbono com a luz funciona como fertilizante, aumentando a produção em 2-3 vezes. Fonte: Toshiba Energy Systems & Solutions
Além disso, o dióxido de carbono é usado na indústria de alimentos (conservante E290), na produção de extintores de incêndio, bem como refrigerante em freezers, etc. Assim, a primeira planta de incineração do mundo apareceu em Saga, emissões prejudiciais que conseguiu comercializar. Mas não paramos por aí, decidindo dar vida a um conceito ecológico que ainda é considerado fantástico.
Bioenergia no bom sentido da palavra
Existe um conceito de limpar a atmosfera do dióxido de carbono, que é chamado de "bioenergia com captura e armazenamento de carbono" (em inglês Bio-Energy with Carbon Capture and Storage, BECCS). Não se apresse para pegar a pistola: a percepção extra-sensorial e o biocampo não têm nada a ver com isso - estamos falando apenas de uma variação exótica de UHY.
Supõe-se que é possível reduzir a quantidade de CO2 na atmosfera agindo contra esse gás em duas frentes: por um lado, cultivar plantas que absorvem CO2 durante a fotossíntese, por outro lado, queimar essas plantas, e o CO2 resultante é enterrado nas camadas profundas da crosta terrestre, ou transformar em algo útil. Por exemplo, fertilizante para um novo lote de plantas. O debate em torno dessa teoria, talvez, seja ainda mais acirrado do que sobre o próprio aquecimento global, então não vamos entrar em sua essência, mas apenas falar sobre nosso projeto piloto nesta bioenergia “correta”.
Paralelamente às obras da Saga, estava a ser reabilitada a termelétrica de Omut. Em 2017, foi mudado do carvão para o biocombustível. Centenas de milhares de toneladas de cascas indonésias dos grãos do dendê usado para obter o óleo de dendê começaram a ser enviadas para o forno desta estação. A usina de biocombustível Omut será a primeira usina de energia do mundo a usar tecnologias BECCS - será capaz de capturar mais de 500 toneladas de dióxido de carbono por dia, o que é mais da metade de todas as emissões de CO2 da usina.
Ou líquido ou uma visão
O próprio dióxido de carbono reciclado pode se tornar uma fonte de energia, além disso, é ecologicamente correto. Para fazer isso, ele deve ser levado a um estado supercrítico, ou seja, à forma agregada de uma substância, na qual tem as propriedades de um gás e de um líquido. O CO2 é relativamente fácil de converter a este estado - requer uma temperatura de 31 ° C a uma pressão de cerca de 7,4 MPa (73 atm).
Embora o CO2 supercrítico tenha a aparência de um líquido, ele é corretamente chamado de fluido supercrítico (SCF). Fonte: canal do YouTube Flachzange1337
Em 2018, a Toshiba e a empresa americana NET Power testaram com sucesso um combustor em escala comercial em uma usina de 50 MW em La Porte, Texas, EUA, para validar um sistema de geração de energia de CO2 supercrítico. ... A Toshiba desenvolve a turbina e a câmara de combustão desde 2012.
O sistema de geração de energia de CO2 supercrítico usa gás natural e é mais eficiente do que outros sistemas de gás natural, e captura CO2 de alta pressão enquanto elimina óxidos de nitrogênio e outros poluentes.
Funciona assim: SCF CO2, gás natural e oxigênio são alimentados na câmara de combustão. Ao queimar essa mistura, a câmara gera um fluido de trabalho gasoso, constituído principalmente de dióxido de carbono e vapor. É transferido sob alta pressão e em alta temperatura para a turbina, onde gira o eixo e gera eletricidade.
O gás de exaustão da turbina é então resfriado e dividido em duas partes - água e CO2. Este último é comprimido novamente e retornado à câmara de combustão, reiniciando o ciclo. O excesso de CO2 pode ser enterrado no subsolo ou transferido para um consumidor externo, e a água limpa pode ser descartada.
O esquema da instalação usando o fluido supercrítico CO2. Fonte: Toshiba Energy Systems & Solutions
Não fume aqui!
Assim, descobrimos que o dióxido de carbono é reciclável, após o que pode ser direcionado para as necessidades da agricultura, indústria, energia. Assim, ao evitar que ele entre na atmosfera, não só reduzimos o efeito estufa, mas também temos lucro. Simplificando, o dióxido de carbono é uma fonte potencial de renda.
Onde muito desse gás é produzido? Por exemplo, na Rússia: de acordo com a petroleira BP, em 2018 a Rússia ocupava o quarto lugar no mundo em termos de emissões de gases de efeito estufa (1,55 bilhões de toneladas por ano), atrás apenas da China, Estados Unidos e Índia neste indicador e à frente do Japão por uma linha ... Não é esse um motivo para começarmos a "capturar" CO2 em escala industrial, quando o preço do petróleo bate recordes negativos?