Não muito tempo atrás, a expressão "carvão limpo" parecia um oximoro. As usinas termoelétricas a carvão emitem uma mistura de poluentes do ar que, a menos que seja removida com purificadores, mancha o ar, cria chuva ácida e pode causar asma ou ataques cardíacos. E as usinas de carvão emitem o dobro do dióxido de carbono que aquece o planeta das usinas termoelétricas a gás natural.
Um novo tipo de reator, no entanto, que captura mais de 99% do dióxido de carbono gerado pela queima do carvão, pode tornar o “carvão limpo” viável. O dióxido de carbono pode ser armazenado em segurança sob a superfície da Terra, onde não pode contribuir para a mudança climática.
Esse reator capturaria carbono sem aumentar o preço da eletricidade, e isso poderia torná-lo comercialmente viável. "É uma maneira completamente nova de gerar energia a partir do carvão com baixo teor de carbono", diz Karma Sawyer, que dirige o programa de pesquisa de carvão limpo na agência de pesquisa ARPA-E, do Departamento de Energia dos Estados Unidos, que financiou o trabalho.
A queima de carvão é responsável pela produção de cerca de 40% da eletricidade mundial, mas produz três quartos das mais de 12 bilhões de toneladas de dióxido de carbono emitidas durante a geração de eletricidade e calor. Para tornar o carvão não poluente, esse dióxido de carbono teria que ser capturado antes de ser emitido e permanentemente trancado sob a terra. Mas, apesar de anos de pesquisa, nenhuma das usinas a carvão nos Estados Unidos faz isso.
No entanto, as usinas termoelétricas a carvão ainda fornecem grande parte da eletricidade do mundo, e as reservas de carvão nos EUA e em outros lugares continuam abundantes e acessíveis. Por estas razões - e por causa da influência política da indústria do carvão - o DOE investiu mais de US $ 3, 4 bilhões em tecnologias de captura e armazenamento de carbono.
A tecnologia de captura de carbono mais avançada de hoje, chamada de depuração de amina, é eficaz e madura, mas é muito cara. Na lavagem de amina, nomeada em homenagem às alquilaminas usadas no processo, o carvão é queimado primeiro da maneira usual, com ar, e o gás de combustão resultante borbulha através de um líquido que retém o dióxido de carbono. Em seguida, o líquido é aquecido para liberar o dióxido de carbono, que escapa tanto quanto uma lata gelada de refrigerante emite bolhas de dióxido de carbono à medida que se aquece até a temperatura ambiente. Esse processo suga quase um terço da energia produzida por toda a usina - o suficiente para garantir um aumento de preço de 80% para os consumidores. Tal aumento no custo é insustentável, de modo que os utilitários se esquivaram de instalar esses depuradores.
Alguns anos atrás, o DOE desafiou os pesquisadores a criar uma tecnologia que pudesse remover mais de 90% do dióxido de carbono emitido por uma usina, enquanto mantinha o preço da eletricidade a partir de carvão de uma usina convencional subindo mais de 35% até hoje. . Até agora, o DOE investiu em pesquisas sobre mais de uma dúzia de tecnologias experimentais de remoção de carbono. "Ainda não há bala de prata, e é por isso que temos um grande programa", diz Lynn Brickett, diretor de divisão da Divisão de Plantas Existentes do Laboratório Nacional de Tecnologia de Energia do DOE, em Pittsburgh, Pensilvânia.
Uma das novas tecnologias mais promissoras começa com o carvão pulverizado, uma mistura seca com a consistência do pó de talco que já é queimado em muitas usinas a carvão. O carvão pulverizado é misturado com partículas de ferro parcialmente enferrujadas do tamanho de sorvete polvilhado dentro de um reator quente a 1.650 graus Fahrenheit. A mistura carvão-ferro sofre uma reação química que remove a ferrugem e produz dióxido de carbono e vapor, que é então resfriado e a água líquida se condensa, deixando uma corrente altamente purificada de dióxido de carbono.
As partículas de ferro livres de ferrugem se movem para um segundo reator, onde são queimadas sob o ar, fazendo com que elas enferrujam novamente. Essa reação oxidante produz calor suficiente para ferver a água, e o vapor resultante aciona uma turbina que produz eletricidade.
O material de captura de carbono não precisa ser aquecido separadamente para liberar dióxido de carbono puro, como acontece na lavagem de aminas, e por essa razão “os requisitos de energia de captura são quase insignificantes”, explica Liang-Shih Fan, da Universidade Estadual da Ohio. engenheiro que liderou esta pesquisa.
Os subprodutos da técnica podem ser reaproveitados, proporcionando uma relação custo-benefício adicional. A corrente de dióxido de carbono puro pode ser vendida a produtores de petróleo, que podem injetá-lo em poços em grande parte usados para permitir a extração de pedaços de óleo valiosos, mas difíceis de coletar. O processo também pode ser ajustado para produzir hidrogênio puro, além de eletricidade e dióxido de carbono, e que o hidrogênio pode ser queimado de forma limpa para eletricidade ou vendido como matéria-prima para a produção de produtos químicos industriais.
“O trabalho de Fan em Ohio State é o único processo no mundo que permite que as três (eletricidade, dióxido de carbono e hidrogênio) sejam produzidas separadamente”, diz Sawyer.
Os engenheiros também se deixaram outras opções. Alguns ajustes no projeto do reator permitem que ele funcione em usinas de gaseificação de carvão, um novo tipo de usina de energia que queima parcialmente carvão para produzir gás natural sintético, ou syngas, e depois queima o gás de síntese para produzir eletricidade. Embora apenas duas grandes usinas de gaseificação de carvão estejam em construção nos Estados Unidos atualmente - no Mississippi e em Indiana - especialistas prevêem que muitas usinas futuras de carvão usarão a tecnologia.
Fan e seus colegas construíram recentemente um reator-piloto em escala laboratorial no campus da Universidade de Ohio, e em fevereiro eles relataram que o programa estava sendo usado por nove dias. Isso pode não parecer muito tempo, mas é a mais longa corrida para esse tipo de tecnologia de captura de carbono. E o reator removeu mais de 99% do dióxido de carbono produzido.
Apesar do sucesso, a nova tecnologia tem muitos obstáculos para pular antes de poder ser usada comercialmente. O reator tem que passar por um teste em larga escala com gás de combustão real, que tem contaminantes que podem danificar as peças do reator de metal, por exemplo, e deve suportar até anos de operações de alta pressão e alta temperatura.
Tal teste está em andamento para a tecnologia de looping do syngas da equipe. Os engenheiros da Ohio State se uniram a meia dúzia de empresas que fornecem suprimentos ou peças para usinas a carvão para construir uma usina piloto de 250 quilowatts de US $ 14 milhões no Centro Nacional de Captura de Carbono do DOE em Wilsonville, Alabama. Este reator de teste será executado em syngas produzidos em uma planta de gaseificação de carvão em escala de demonstração operada pela Southern Company no centro, e funcionará a altas temperaturas e altas pressões típicas de plantas comerciais. (Divulgação: a Southern Company é anunciante no Smithsonian.com, mas essa história foi encomendada de forma independente.) “Estamos testando condições comerciais muito aplicáveis”, diz Andrew Tong, um pesquisador do grupo de Fan que está ajudando a coordenar o teste.
Mesmo que o esforço seja bem-sucedido, seriam necessários mais testes-piloto, porque uma usina a carvão real é cerca de mil vezes maior do que a planejada planta-piloto do Alabama. A tecnologia do Estado de Ohio "ainda tem um longo caminho a percorrer para gerar eletricidade em uma usina de energia comercial movida a carvão ou a gás natural", diz Sawyer.
Se a tecnologia for bem-sucedida em grande escala e for capaz de remover todo o dióxido de carbono e os poluentes do ar da queima do carvão, os reatores químicos ainda não seriam a maneira mais limpa, barata ou saudável de produzir eletricidade. Os mineiros de carvão morrem de doenças do pulmão negro e os colapso das minas, e cadeias inteiras de montanhas são decapitadas para o carvão. Até mesmo o carvão limpo produz cinzas que se acumulam em tanques de armazenamento ou aterros sanitários, ameaçando as águas subterrâneas e os rios com a poluição. Quando os custos ambientais e de saúde são calculados, as energias renováveis, como a eólica e a solar, continuam mais baratas.
Mas com sete bilhões de pessoas famintas por energia barata e usinas elétricas a carvão emitindo milhões de toneladas de gás para a atmosfera todos os dias, novas maneiras de queimar o carvão de maneira limpa não podem ser negligenciadas. "Você tem que encontrar algo que possa lidar com todos os desafios", diz Sawyer. "É por isso que esses projetos são tão empolgantes".
