Um canto do deserto de Omã é coberto por um tipo de rocha com uma sede insaciável por um gás incolor e inodoro vital para a vida na Terra. Esse gás é CO2, e quando reage com o peridotito, uma rocha abundante no manto terrestre, está absorvido, formando um carbonato sólido semelhante ao calcário.

O peridotito de Omã atualmente absorve cerca de 10, 000 a 100, 000 toneladas de dióxido de carbono por ano, mas os cientistas dizem que com um pouco de intervenção humana, poderia ser acelerado para absorver um oitavo das 38 bilhões de toneladas de CO2 emitidas pela queima de combustíveis fósseis em todo o mundo. Um gás de efeito estufa, O CO2 se acumula na atmosfera da Terra, onde ele retém o calor e aumenta a temperatura média global, alimentando climas extremos, como ondas de calor mais quentes, secas mais frequentes, e furacões mais poderosos. A concentração atual de CO2 é de cerca de 400 ppm, o mais alto foi em pelo menos os últimos 800, 000 anos.

Embora seja apenas um dos tipos de rocha com propriedades de absorção de CO2, e apenas um método para reduzir o impacto das emissões de CO2, peridotito pode ajudar a mitigar os riscos iminentes representados pela mudança climática.

Os pioneiros por trás da pesquisa do peridotito, Peter Kelemen e Juerg Matter, geólogos do Observatório Terrestre Lamont-Doherty da Universidade de Columbia, descobriram a afinidade do peridotito por consumir CO2 quando o trouxeram para o laboratório para determinar sua idade. Percebendo que o peridotito havia reagido com CO2 há relativamente pouco tempo, eles começaram a conceituar como seria a escala da reação.

Embora seja muito caro mover a rocha para perto de usinas de energia, onde poderia absorver as emissões, os pesquisadores sugerem que o CO2 pode ser canalizado para o manto carregado de peridotito da Terra por meio de um processo semelhante ao fraturamento hidráulico. Isso poderia abrir um repositório gigante para o gás que não dependeria da localização, mas traz consigo implicações ambientais que precisariam ser levadas em consideração cuidadosa.

Soluções voltadas para a natureza

Os geólogos há muito entenderam que as rochas são um importante reservatório de carbono. O desgaste das rochas acontece quando o CO2 se dissolve em gotas de água da chuva, adicionando a acidez necessária para dissolver os minerais que compõem a rocha. O intemperismo das rochas retira cerca de um bilhão de toneladas de CO2 da atmosfera anualmente.

"Compreender esses processos químicos naturais pode levar a descobertas que nos permitem usar e agilizar processos que reduzem o CO2 na atmosfera, "diz Bradley Sageman, professor e catedrático de ciências terrestres e planetárias na Northwestern. "Métodos como esses, que são tecnologia padrão hoje, eram considerados ficção científica no passado. Veja o exemplo do peridotito de Omã. Se pudéssemos aproveitar essa reação, temos um mecanismo potencialmente transformador para absorver CO2 em grande escala. "

Alguns dos colegas de Sageman estudam a cinética das reações de intemperismo para obter uma compreensão fundamental do ciclo do carbono - a transformação circular do carbono entre os seres vivos e o meio ambiente. Os usuários naturais de CO2 incluem florestas, zonas úmidas, e turfeiras. Os cientistas estudaram esses e outros sumidouros de carbono para desenvolver muitos processos artificiais que produzem efeitos semelhantes.

Dois tipos comumente discutidos de sequestro artificial são o armazenamento oceânico - bombeamento de CO2 nas profundezas do oceano - e o sequestro geológico - injetando CO2 profundamente em reservatórios de petróleo e gás esgotados ou leitos de carvão que não podem ser minerados. Os cientistas hesitam em buscar qualquer uma dessas soluções agressivamente por preocupações sobre a estabilidade dos sistemas naturais perturbados e os efeitos potenciais sobre a vida oceânica.

Para entender melhor a dinâmica das soluções de armazenamento, Sageman e sua equipe observam períodos na história da Terra caracterizados por altos níveis de CO2 atmosférico e aquecimento. "Grande parte do trabalho que fazemos é melhorar nossa compreensão de como o sistema da Terra se comportou durante eventos passados ​​de aquecimento global. Isso deve levar a uma melhor estrutura para discernir o que pode acontecer em um futuro aquecimento global, " ele diz.

Embora a captura e o armazenamento de longo prazo de CO2 sugiram algumas soluções viáveis ​​para mitigar o CO2, os cientistas também estão considerando o gás como um recurso para a criação de energia limpa. Em todo o mundo, pesquisadores estão demonstrando que o CO2 pode ser um ingrediente-chave em muitas tecnologias que produzem produtos limpos, energia neutra em carbono.

Essas tecnologias podem complementar os atuais sistemas baseados em combustíveis fósseis para reduzir as emissões, e, eventualmente, capturar CO2 da atmosfera para ajudar a mitigar as mudanças climáticas. Grandes e pequenas empresas - em setores que variam de energia a companhias aéreas e automotivas - estão notando.

Soluções de força industrial

Estrategistas da indústria em toda a linha, de pequenas startups a empresas multinacionais, estão procurando definir seus papéis e oportunidades em um futuro de energia limpa. Eles estão procurando por habilidades complementares, tecnologias, ou tecnólogos que estão em processo de desenvolvimento de inovações tecnicamente viáveis, mas falta uma visão de mercado. Eles sabem que com o risco vem a recompensa, e os pioneiros não estão esperando pela solução perfeita para suas necessidades de energia; eles estão trabalhando com os mais brilhantes tecnólogos para criá-lo.

Em comparação com empresas de muitos outros setores, as concessionárias não são conhecidas por investir pesadamente em pesquisa e desenvolvimento, em vez disso, contando com uma base de conhecimento relativamente estática. Perturbando esse status quo, Exelon, a maior concessionária regulada do país, atendendo a 10 milhões de consumidores, está investindo agressivamente em tecnologias que pode transformar em produtos voltados para o cliente.

A Exelon está investindo em muitos projetos de estágio inicial e intermediário que complementam seus serviços e, ao mesmo tempo, reduzem sua pegada de carbono, incluindo investimentos em energia solar, células de combustível, e baterias. Um exemplo, uma empresa chamada NetPower, usa CO2 como fluido de trabalho para acionar uma turbina de combustão que gera eletricidade sem produzir quaisquer emissões. O sistema também produz CO2 com qualidade de duto que pode ser armazenado ou usado em processos industriais, incluindo um processo aprimorado de recuperação de óleo onde CO2 é injetado em um reservatório de óleo para aumentar a produção.

Em março de 2016, A NetPower inaugurou uma planta de demonstração de 50 megawatts em La Porte, Texas, com o objetivo de operar de forma tão eficiente quanto as melhores usinas de gás natural da atualidade. Parte de um programa de $ 140 milhões, a planta incluirá avanços tecnológicos contínuos, um programa completo de testes e operações, e desenvolvimento de produtos comerciais. A Toshiba fornecerá uma turbina e combustor de CO2 supercrítico para o projeto.

“Muitas pessoas dizem que o gás natural é um combustível de ponte para reduzir as emissões no setor elétrico, mas porque a maioria das usinas de gás natural são movidas por turbinas que dependem de um ciclo de vapor tradicional, eles não podem produzir CO2 de alta qualidade que pode ser reutilizado para outras coisas, "diz Gould." Além disso, uma vez que as usinas NetPower não precisam de vapor para acionar suas turbinas, elimina o uso de água também. "

Alimentando a Criação de Valor

Como NetPower, muitas empresas de tecnologia desenvolveram processos para ajudar as indústrias a reduzir sua pegada de carbono, e em alguns casos, fazer novos produtos no processo. Uma dessas empresas, LanzaTech, está criando ondas na reciclagem de carbono com um processo biológico proprietário que usa um micróbio para converter as emissões industriais em combustíveis e produtos químicos úteis.

"Nós convertemos as emissões em uma variedade de novos produtos valiosos que, de outra forma, viriam de matérias-primas de commodities, "diz Prabhakar Nair, Vice-presidente de desenvolvimento de negócios da LanzaTech.

O processo da LanzaTech funciona com uma variedade de micróbios, permitindo que um cliente especifique a produção desejada - atualmente etanol ou butanodiol - e tire proveito das condições de mercado.

Depois de abrir duas fábricas de pré-produção na China, LanzaTech planeja abrir sua primeira planta comercial em escala em Xangai no final de 2017. A empresa também está trabalhando com o maior produtor de aço do mundo, ArcelorMittal, para implementar um projeto em escala comercial em sua principal usina siderúrgica na Bélgica.

A chave para o sucesso da empresa, de acordo com Nair, reside na sinergia entre a tecnologia, parceiros da indústria, e compradores de produtos. O serviço completo em uma instalação em escala de demonstração inclui a vinculação de parceiros da indústria a compradores para o subproduto que é produzido ali. Por exemplo, A LanzaTech vinculou produtores de aço a refinarias locais que são obrigadas por regulamentação a misturar etanol em suas misturas de combustível.

"Ao servir de ponte entre as indústrias que fornecem matéria-prima e as que precisam, e fazendo isso com as emissões de resíduos, estamos colocando a economia circular em movimento, "diz Nair.

A empresa recentemente recebeu US $ 4 milhões do Departamento de Energia dos Estados Unidos para desenvolver tecnologias de bioenergia para projetar e planejar uma instalação em escala de demonstração usando gases residuais industriais da fabricação de aço para produzir três milhões de galões de combustível diesel e jato de baixo carbono por ano. Isso vem na esteira de uma parceria com a Virgin Atlantic, que planeja um vôo de teste em 2017 usando combustível de aviação feito de etanol de baixo carbono proprietário da LanzaTech. A LanzaTech estima que sua tecnologia seja compatível com 65 por cento das siderúrgicas, e se implementado poderia produzir 15 bilhões de galões de combustível de aviação por ano, ou um quinto do combustível de aviação usado em todo o mundo.

A corrida para a refinaria solar

Imagine chegar ao posto de gasolina amanhã, mas em vez de escolher entre sem chumbo, mais, ou diesel, você busca um combustível altamente eficiente feito apenas de luz solar, agua, e CO2.

Esses mesmos componentes que constituem esse "combustível solar" são as mesmas três coisas que as plantas vivas convertem em alimento. Chamado de "fotossíntese artificial, "em escala, esse processo poderia pular grandes obstáculos na redução da dependência de combustíveis fósseis.

Com suas vantagens, não é de admirar que a pesquisa de combustíveis solares tenha decolado em todo o mundo - de centros no Japão e Suécia ao Centro Conjunto de Fotossíntese Artificial (JCAP) na Califórnia, fundada pelo Departamento de Energia dos EUA em 2010. Com um orçamento de $ 122 milhões em cinco anos, A missão do JCAP é construir um protótipo de um sistema de combustível solar.

Os componentes do sistema previsto no JCAP são bastante básicos. O sistema requer um material fotovoltaico para absorver a energia luminosa do sol, que é então direcionado a dois catalisadores separados para reduzir o obstáculo energético para uma reação. Um catalisador divide a água em prótons e oxigênio e o outro converte dióxido de carbono e prótons em hidrocarbonetos, os principais componentes dos combustíveis. Embora esses processos sejam atualmente possíveis, eles ainda apresentam desafios.

Um é econômico. Os materiais usados ​​tanto na fotovoltaica quanto nos catalisadores são caros, incluindo materiais raros, como irídio ou platina, que apresenta um desafio de escalabilidade. O outro é a eficiência. Embora dez vezes mais eficiente do que a fotossíntese natural na captura e conversão da energia solar, a maior eficiência registrada para fotossíntese artificial ainda é de apenas 10 por cento. Isso é menos da metade da eficiência dos painéis de silício no mercado hoje.

Então, por que tanto barulho para fazer combustíveis com alta densidade energética quando temos tecnologias renováveis ​​mais eficientes disponíveis hoje? Fontes de energia renovável, incluindo solar e eólica, só pode ser gerado intermitentemente - quando o sol brilha ou o vento sopra. Os combustíveis apresentam uma opção viável para armazenamento de energia em escala de rede que poderia compensar essa intermitência e ser facilmente transportados para onde são necessários.

A densidade de energia dos combustíveis também é cerca de 100 vezes maior do que a das baterias de melhor desempenho, e muitos métodos de transporte, incluindo carros, navios, e aviões - já têm a infraestrutura para funcionar com combustíveis. E quando se trata de mitigar os efeitos das mudanças climáticas, se esses combustíveis fossem feitos de dióxido de carbono capturado do ar, o processo seria neutro em carbono e não emitiria novos gases de efeito estufa na atmosfera.

Colaboração em escala global

Porque muitas perguntas permanecem sem resposta, JCAP modificou seu objetivo de criar um sistema de combustíveis solares, em vez disso, focar em acertar os fundamentos. Enquanto isso, outros cientistas seguem uma abordagem de sistema completo.

Essa abordagem exigirá colaboração e engenharia de sistemas, diz Michael R. Wasielewski, Clare Hamilton Hall Professora de Química e diretora do Centro de Pesquisa de Energia Solar de Argonne-Northwestern (ANSER). "Os pesquisadores têm subsistemas que podem funcionar em algum nível de linha de base, mas quando você tenta integrá-los, não é perfeito e, portanto, não é comercialmente viável. Você precisa de cientistas colaborando com engenheiros para resolver os bugs e criar um sistema completo de trabalho, "Wasielewski diz.

Na ANSER, um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia do Departamento de Energia dos EUA, Wasielewski trabalha com mais de 60 pesquisadores para desenvolver uma compreensão fundamental das moléculas, materiais, e métodos necessários para criar tecnologias significativamente mais eficientes para combustíveis solares e produção de eletricidade solar. Em 2013, Wasielewski também fundou o Solar Fuels Institute (SOFI).

A SOFI lançou um projeto de demonstração de seis fases em 2016 com o objetivo de adotar uma abordagem de sistemas para desenvolver combustíveis solares. No final do ano passado, Os cientistas da SOFI produziram metanol com sucesso no laboratório de Northwestern. "O projeto de demonstração SOFI foi visto como um sistema desde o início, "diz Wasielewski." Vamos precisar fazer isso funcionar de uma ponta a outra. Mas não podemos fazer isso sozinhos. "

Como um consórcio global, A SOFI tem parceiros universitários e industriais de todo o mundo - desde instituições acadêmicas que abrangem três continentes até grandes multinacionais como Shell e Total. Ainda, A SOFI está buscando colaborações de campos variados, incluindo economia e política, para trabalhar nas estratégias de implementação.

"De um modo geral, "Wasielewski diz, "cientistas e engenheiros podem encontrar mais de uma solução para um problema. Podemos ajustar um processo para ser muito mais eficiente, mas não podemos saber quais são as prioridades para os clientes do mundo real se não os envolvermos desde o início. Isso é o que constitui uma tecnologia inovadora. "