Audi, Sunfire e o diesel produzido a partir de água e dióxido de carbono

Foi com algum espanto que nos últimos dias fui bombardeado com várias notícias e reportagens a relatar a mais recente “invenção” da Sunfire patrocinada pela Audi, o chamado e-fuel ou se preferirem, diesel sintético produzido a partir de dióxido de carbono e água, isento de enxofre, azoto ou outros contaminantes normalmente presentes nos combustíveis fósseis. Em teoria, este processo parece ser uma lufada de ar fresco no panorama dos combustíveis, apresentando-se como uma eventual solução para a crise de petróleo. Mas será esta notícia assim tão animadora como parece transparecer?17196431805_58fdd90c52_kVamos primeiro analisar o impacto mediático desta “invenção”. Do revista Time até à imprensa da Audi, passando pela ScienceAlert, o título mais comum é o da invenção de hidrocarbonetos sintéticos a partir de água e dióxido de carbono. Imediatamente o meu espírito crítico, aliado aos meus conhecimentos nesta área, veio ao de cima, refutando a ideia de “invenção”. Efetivamente, a Sunfire não inventou nada de novo, nada mesmo.

Os processos

Para se ter uma noção, demorei cerca de 2 segundos a apresentar uma proposta processual de produção de hidrocarbonetos sintéticos usando H2O e CO2: eletrólise da água, reações de shift do Syngas e finalmente reações de Fischer-Tropsch. Para minha (não) surpresa, verifiquei que estava totalmente correto em relação à minha proposta, já que a Sunfire divulgou informação processual.Capturar3Ora, estes processos já existem há várias dezenas de anos e já se encontram maduros conceptualmente, mas no entanto não se encontram aplicados massivamente devido às suas grandes limitações a nível de impacto energético e económico.

Eletrólise da água

A eletrólise da água é um processo cujas origens remontam ao século XVIII (1789) e que foi atribuído a Jan Rudolph Deiman e a Adriaan Paets van Troostwijk, mas só com a introdução da pilha de Volta e o anel de Gramme é que foi possível desenvolver a técnica, até que em 1888 Dmitry Lachinov consegue aplicar a eletrólise à escala industrial.

Conceptualmente, a eletrólise da água consiste na decomposição de água a hidrogénio molecular (H2) e oxigénio molecular (O2) por via de uma corrente elétrica, sendo que depois se verifica a acumulação de O2 junto do ânodo e H2 junto do cátodo. Em termos energéticos, esta reação apresenta um requerimento energético de 286 kJ/mol, ou se preferirem cerca de 15,9 MJ por cada kilo de água (inclui a entalpia de reação mais a energia associada à entropia do sistema). Para um consumo de 1Kg de água por segundo, a potência necessária é equivalente à potência necessária para alimentar 159000 lâmpadas incandescentes de 100W cada, o que para um consumidor comum corresponderia a uma fatura elétrica de 1.5 M€ por mês aproximadamente. No entanto, parte da energia necessária pode ser fornecida na forma de calor reduzindo assim significativamente os custos associados ao consumo elétrico.verichip-standard-electrolysisExistem várias técnicas de eletrólise mas vou apenas focar na eletrólise de elevada temperatura (HTE), visto ter sido este o processo adotado pela Sunfire.

Num processo HTE, a água é alimentada a um reator na forma de vapor, atravessando meios porosos onde se encontram o ânodo e o cátodo, conduzindo á formação de H2 que fica retido no vapor, e de O2 que pode ser rapidamente recuperado. Termodinamicamente, este processo é mais eficiente que a eletrólise convencional já que alguma da energia necessária é fornecida na forma de calor. Se se pretendesse que não fosse necessário o uso de eletricidade neste tipo de processo, era necessário operar a temperaturas na ordem dos 2500 ºC, ocorrendo a termólise em vez de uma eletrólise, só que este processo é altamente inviável em termos económicos. Assim, as temperaturas normais de operação em HTE variam entre os 100 ºC e os 850 ºC, necessitando menos 41% de energia elétrica numa operação a 100 ºC ou menos 64% numa operação a 850 ºC.

Mesmo com esta diminuição significativa na dependência de eletricidade, esta via de síntese de H2 não consegue competir economicamente com as outras vias de síntese (através do gás natural ou na indústria de cloro-alkalis), tornando este processo numa opção ineficiente de armazenamento de energia numa forma potencial química.

Shift de Syngas

O Syngas, ou gás de síntese, é uma mistura contendo maioritariamente monóxido de carbono (CO) e H2, mas pode também incluir outros gases como CO2, O2 e H2O, e que é usado como precursor na síntese de vários compostos orgânicos, destacando-se o metanol. Existem vários processos de síntese de Syngas sendo que ainda é realizada alguma investigação no assunto, mas os processos tradicionais remontam aos primórdios do século XX, mesmo antes da 2ª guerra mundial.

Para que a composição do Syngas se ajuste melhor às necessidades processuais é necessário proceder a uma série de reações de ajuste, as chamadas reações de Shift:

CapturarDesta forma, é possível produzir CO a partir de CO2, consumindo H2 e formando de novo água.

Processo de Fischer-Tropsch

O processo de Fischer-Tropsch corresponde a uma série de reações entre o CO e o H2 e que visam a produção de misturas de alcanos lineares com cadeias contendo entre 10 a 20 carbonos, podendo-se também produzir alcanos de massa diferente. Simplificadamente, a química do processo pode ser descrita pela seguinte equação:Capturar2Dada a complexidade das reações envolvidas, é comum que haja também a produção de olefinas, alcoois, aldeídos, cetonas, ésteres entre outros.

Este processo foi desenvolvido por Franz Fischer e Hans Tropsch em 1925, e desde esse ponto que a sua importância e aplicabilidade tem sofrido altos e baixos ao sabor de guerras e crises energéticas, sendo que a principal desvantagem deste processo é o elevado custo do produto final comparativamente com a via do petróleo, mas apresenta a vantagem de ser um processo com uma pegada de carbono reduzida (a curto e médio prazo), usar fontes vegetais de matérias-prima, produzir misturas isentas de compostos sulfurosos ou nitrosos, e um elevado potencial para que haja integração de energia a partir de fontes renováveis.

Onde é que estes processos falham?

O elo mais fraco neste conjunto de processos é mesmo o custo associado aos reagentes. Não existem fontes naturais de H2 (ou pelo menos que sejam facilmente exploráveis, já que existe a formação de H2 associada à geodinâmica terrestre) e o CO é um composto relativamente pouco abundante e extremamente perigoso. Assim, estes reagentes necessitam de ser produzidos ou adquiridos para que depois possam ser usados noutros processos. No entanto há que referir que em qualquer processo químico o custo final do produto vai diminuir significativamente se os reagentes necessários forem produzidos in-situ.17166997361_5e11b2a804_kA Sunfire afirma que no seu processo HTE vai usar energia a partir de fontes renováveis, diminuindo os custos operatórios. Ora vamos fazer uma pequena estimativa: digamos que o e-fuel produzido apenas contém alcanos e que o comprimento médio das cadeias é de 15 carbonos, e que pretende produzir cerca de 1 tonelada por dia. Vamos também assumir que não há desperdício de reagentes nem reações indesejáveis. Tendo por base as equações apresentadas podemos afirmar que 1 tonelada desse e-fuel iria conter o equivalente a 850 kg de Carbono e 150 kg de Hidrogénio. Esse carbono por sua vez iria corresponder a aproximadamente 1980 kg na forma de CO, 3316 kg de CO2 e precisará de cerca de 45 kg de H2 para ser produzido. Ou seja, por cada tonelada de e-fuel são necessários pelo menos uns 195 kg de H2, e sabendo que por HTE a 850 ºC é necessário o fornecimento de aproximadamente 225 MJ de energia para cada kilo de H2 produzido, isso traduz-se efetivamente numa potência necessária aproximada de 500 kW.

Considerando que em média um dia apresenta 12 horas de exposição solar, que a intensidade energética da luz solar que atinge a superfície terrestre é de 1 kW/m2 e que os painéis fotovoltaicos mais eficientes do mercado apresentam uma eficiência de 40% (os mais comuns, os de silício, apresentam uma eficiência máxima de 25%), para que as necessidades energéticas fossem supridas por painéis fotovoltaicos  era necessária uma instalação com aproximadamente 2500m2 (aproximadamente 1/3 de um campo de futebol). Se considerarmos que a refinaria de Sines possui uma capacidade instalada de processamento de 30 mil toneladas diariamente, se quiséssemos suprir as necessidades de apenas uma refinaria em Portugal, a instalação necessária teria de ter um parque fotovoltaico  com uns incríveis 75 km2 ou se preferirem, 10000 campos de futebol.outras_unidades620x220No entanto é preciso frisar que estas contas não têm em consideração as estratégias de reaproveitamento energético que podem ser aplicadas e que fazem uma tremenda diferença, mas estes valores já permitem ter uma noção da magnitude do processo.

Ainda sobre a HTE há um outro aspeto a frisar. Ao contrário da eletrólise tradicional que beneficia consideravelmente com a presença de espécies que aumentam o valor da condutividade elétrica da água (eletrólitos), na HTE a água não pode conter estas espécies sob o risco de formarem incrustações e danificarem severamente os equipamentos, sendo por isso necessário o uso de água desmineralizada nas caldeiras de formação de vapor, o que se traduz na necessidade de reaproveitar toda a água não consumida e/ou gerada no processo e compensar o consumo com água fresca.

Em relação ao processo de Shift não há nada a apontar, visto ser um processo necessário, viável e com aplicação já estabelecida. A única alternativa a este processo seria a compra de CO fresco, o que iria aumentar os custos processuais.

Finalmente, o processo de Fischer-Tropsch é um processo bastante sensível às condições operatórias e com custos associados significativos, mas a sua principal desvantagem é a sua baixa eficiência mássica que na melhor estimativa e condições pode chegar aos 60%.

Ou seja, se pegarmos em toda esta informação a única conclusão que se pode tirar é que este processo é pouco eficiente e economicamente inviável, já que o custo do diesel convencional é bastante inferior. Apesar de tudo há que referir uma coisa: estes processos são tecnologicamente viáveis, já foram testados incontáveis vezes e devidamente caracterizados.

No entanto é imperativo colocar a seguinte questão:

É possível melhorar alguma coisa?

A resposta é sim, mas não nos moldes do projeto da Sunfire. O problema energético poderia ser melhorado através do uso de energia nuclear mas todos nós sabemos a controvérsia que esse tópico gera, e em relação à eficiência mássica do processo a única solução que consigo considerar como válida é o uso do hidrogénio como combustível (em células de hidrogénio) mas isso implicaria uma mudança nos veículos atuais deitando por terra todo o propósito deste projeto (produzir diesel sintético através de fontes renováveis).16980065010_fbb7002b63_kO meu veredito final é que é de salutar todas estas iniciativas e investigações que só revelam uma preocupação com a dependência do petróleo, mas o mediatismo que se está a instalar em torno desta notícia só vai trazer mais mal do que bem, é que as pessoas esquecem-se que o processo ainda só está na fase piloto e ainda é necessário proceder ao seu scale-up e isso poderá revelar-se bastante difícil de concretizar…

E já agora deixo aqui uma palavrinha aos defensores das teorias da conspiração que acham que as petrolíferas vão abafar este projeto: infelizmente isso não vai ser necessário já a que própria natureza vai tratar disso…

Ruben

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