O Berkeley Lab está buscando um portfólio de tecnologias de emissões negativas e pesquisas relacionadas para remover o dióxido de carbono da atmosfera. Crédito:Gary Whitton / Shutterstock
A atividade humana agora está levando ao equivalente a 40 bilhões de toneladas de dióxido de carbono emitidos na atmosfera a cada ano, nos colocando no caminho para aumentar a temperatura do planeta em 1,5 graus Celsius em relação aos níveis pré-industriais até 2040. De acordo com o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC), devemos limitar o aquecimento global a 1,5 graus Celsius para evitar os impactos mais perigosos das mudanças climáticas.
Cada vez mais, os cientistas estão reconhecendo que as tecnologias de emissões negativas (NETs) para remover e sequestrar dióxido de carbono da atmosfera serão um componente essencial na estratégia para mitigar as mudanças climáticas. Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), um laboratório de pesquisa multidisciplinar do Departamento de Energia, está buscando um portfólio de tecnologias de emissões negativas e pesquisas relacionadas. Estes variam de sequestro geológico e terrestre, para conversão em bioprodutos, a reatores térmicos para combustíveis de hidrogênio.
Uma tecnologia promissora em desenvolvimento para NETs é a captura de carbono usando um material chamado MOF, ou estrutura metal-orgânica. Jeffrey Long, um cientista sênior na Divisão de Ciências de Materiais do Laboratório de Berkeley e também professor na Faculdade de Química da UC Berkeley, tem trabalhado com este material exclusivo por vários anos.
P. O que é um MOF e que papel ele pode desempenhar na redução de CO 2 emissões?
A MOF, ou estrutura metal-orgânica, é um tipo de material sólido que é altamente poroso e se comporta como uma esponja, capaz de absorver grandes quantidades de uma molécula de gás específica, como o dióxido de carbono. Eles têm cerca de 20 anos, e houve uma explosão na pesquisa na última década, à medida que os cientistas estão encontrando cada vez mais aplicações práticas. O que é diferente sobre os MOFs é que eles têm áreas de superfície interna extremamente altas. Apenas um grama de MOF, uma quantidade semelhante a um cubo de açúcar, pode ter uma superfície maior do que um campo de futebol. Consequentemente, se projetado corretamente, uma pequena quantidade de MOF pode remover uma enorme quantidade de CO 2 dos gases de escape produzidos pela combustão de combustíveis fósseis.
Fizemos uma descoberta casual há alguns anos que certos MOFs podem capturar dióxido de carbono por meio de um mecanismo de switch sem precedentes. Otimizamos ainda mais o material para a remoção eficiente de CO 2 de uma chaminé de uma usina de energia antes que o gás entre na atmosfera. Mostramos que a captura e liberação de dióxido de carbono do MOF podem ser realizadas usando mudanças de temperatura muito menores do que as necessárias para outras tecnologias, dando-lhe uma grande vantagem sobre as formas convencionais de capturar CO 2 . (O CO adsorvido 2 pode então ser utilizado em outros produtos.) Essa estratégia elimina a necessidade de desviar de alto valor, vapor de alta temperatura longe da produção de energia, evitando um grande aumento no custo da eletricidade. No curso desses esforços, também mostramos que as variantes dos MOFs podem ser eficientes para a remoção de CO 2 de outras misturas de gases, incluindo biogás, gás natural, e até mesmo diretamente do ar.
Para captura direta de ar, Os MOFs são a melhor maneira que temos de fazer isso. Para a parte de captura de carbono do BECCS (ou bioenergia com captura e armazenamento de carbono, uma tecnologia emergente de emissões negativas), onde você está essencialmente cultivando árvores ou plantações, queimando-os para combustível, em seguida, capturar e sequestrar esse CO 2 , Acho que os MOFs também podem fazer a parte de captura melhor do que qualquer outro material.
P. Isso parece muito promissor. Qual é o status desta tecnologia agora? Ele está sendo usado comercialmente?
Uma empresa iniciante chamada Mosaic Materials (na qual tenho interesse financeiro) foi formada em 2014 para buscar a produção comercial de MOFs para vários CO 2 processos de separação. No Berkeley Lab, estamos liderando um projeto financiado pelo Laboratório Nacional de Tecnologia de Energia (NETL), no qual estamos trabalhando com a Mosaic Materials e uma empresa de engenharia canadense chamada Svante para realizar uma demonstração piloto de gás de combustão de uma usina de energia movida a carvão.
Aqui, o uso do MOF em um sistema de leito giratório exclusivo pode atingir tempos de ciclo de captura-liberação rápidos e consumo de energia reduzido. Em última análise, prevê-se que a implantação comercial generalizada de tal tecnologia poderia resultar em uma redução dramática no custo e na energia associada à captura de carbono, conforme é necessariamente implementado em todo o mundo.
Em outro lugar, Os MOFs estão em uso comercial para o armazenamento seguro de outros gases perigosos. Para captura de CO2, Eu diria que agora eles estão próximos de estar prontos para implantação comercial.
Q. Se for esse o caso, então, que pesquisas adicionais sobre MOFs são necessárias?
Precisamos reduzir drasticamente o custo da captura direta de ar. É muito caro fazer agora. Já existem empresas fazendo isso - elas constroem unidades com ventiladores soprando ar através de dispositivos contendo materiais porosos - mas os materiais em uso não são muito eficazes, tornando as unidades extremamente caras para operar. O custo de remoção de CO 2 com essa tecnologia está atualmente na ordem de US $ 500 a US $ 1, 000 por tonelada. Precisamos desenvolver materiais de alto desempenho para ajudar a reduzir o custo para menos de US $ 100 por tonelada.
O principal problema por trás desse alto custo é a quantidade de energia necessária para regenerar o adsorvente, ou seja, para liberar o CO 2 na forma pura, para que o material possa ser usado novamente para capturar mais CO 2 . Aqui, pensamos que o mecanismo de adsorção cooperativa acessível em MOFs poderia reduzir significativamente os requisitos de calor e vácuo para regeneração.
Outra consideração, no entanto, é a energia necessária para soprar ar. Se você tem um fluxo de ar entrando, isso equivale a 410 partes por milhão de CO 2 , uma das dificuldades é que a maioria dos materiais pode remover uma pequena quantidade disso e diminuir o CO 2 concentração para, dizer, 300 ppm, capturando 25% do CO 2 . Isso é chamado de taxa de captura. E então, para capturar mais, você tem que basicamente fluir mais ar através do material para preenchê-lo.
Mas com uma taxa de captura de, dizer, 90% você poderia diminuir o CO 2 concentração para 40 partes por milhão com uma única passagem. Isso significa que você está soprando muito menos ar para remover o CO 2 e, portanto, economizando energia.
Um de nossos objetivos de pesquisa é desenvolver materiais de alta capacidade, uma alta taxa de captura, cinética rápida para CO 2 adsorção, e uma baixa temperatura de regeneração, ao mesmo tempo, limita a co-adsorção de água para que você não desperdice energia na dessorção se não for necessário. A cinética significa a rapidez com que o CO 2 é absorvido pelo material.
Acho que há um caminho para chegar a menos de US $ 100 por tonelada de CO 2 removido do ar. Ainda há muita pesquisa necessária para chegar lá. Precisamos realmente repensar algumas das maneiras como os materiais são projetados e entender como manipular coisas como delta-S (entropia) para CO 2 adsorção, de modo que menos calor é necessário para o CO 2 liberar.
