Tecnologia de captura de carbono:
Reduzir superpoluentes para limitar o aquecimento global

Shan Daniel

O aquecimento global representa uma série significativa de riscos para os humanos na Terra. O planeta está se aquecendo devido ao efeito estufa, ou seja, gases na atmosfera terrestre que retêm a radiação de ondas longas emitida pela superfície terrestre na atmosfera. O principal gás que contribui para esse efeito é o dióxido de carbono, emitido durante a combustão de combustíveis de hidrocarbonetos para obtenção de energia. Os potenciais efeitos negativos das emissões e do aquecimento descontrolados resultam em eventos climáticos extremos, perdas agrícolas e inundações de regiões costeiras devido ao derretimento das calotas polares. Consequentemente, a mudança da dependência energética global para fontes que mitiguem os resultados negativos das mudanças climáticas é crucial e urgente. Isso pode ser alcançado reduzindo a dependência global de combustíveis fósseis e outras substâncias emissoras de carbono e migrando para energias renováveis, como solar, eólica, hidrelétrica, maremotriz e nuclear, que não liberam CO2 durante seu processo (1).

No entanto, desde o início da Revolução Industrial, as concentrações atmosféricas de CO2 aumentaram de 280 ppm para 430 ppm, o equivalente a 1.18 × 10^12  toneladas métricas adicionais de CO2 em nossa atmosfera. Dada a magnitude dessa mudança, remover o carbono emitido da atmosfera e armazená-lo de forma a eliminar seu efeito no aquecimento global tem sido um tópico recente de interesse para cientistas do clima.

Os processos atuais de sequestro de carbono têm a tarefa de retirar o ar do ambiente e concentrá-lo para armazenamento (2). Isso pode ser alcançado por meio de uma série de quatro reações: a reação 1 envolve a passagem do ar por uma solução de hidróxido de potássio, onde o CO2 pode reagir com a água para se tornar ácido carbônico, que sofre uma neutralização ácido-base para gerar carbonato de potássio e água. a reação 2 regenera o hidróxido de potássio reagindo o carbonato de potássio com hidróxido de cálcio para gerar carbonato de cálcio, que é insolúvel em água. na reação 3, o carbonato de cálcio sólido é submetido à decomposição térmica sob temperaturas extremamente altas para gerar óxido de cálcio e dióxido de carbono, que são emitidos pela reação em um ambiente controlado onde podem ser armazenados. por fim, a reação 4 envolve o óxido de cálcio regenerando o hidróxido de cálcio quando dissolvido em água. embora as reações 1, 2 e 4 sejam exergônicas e favoráveis, a decomposição térmica do carbonato de cálcio é altamente endotérmica e requer uma quantidade extrema de energia, tornando o sequestro industrial de carbono caro e difícil de sustentar (3). Por tonelada métrica de CO2 removida do ar ambiente, o custo é estimado entre US$ 600 e US$ 1000. Usando apenas as tecnologias atuais de sequestro de carbono, o custo de remover CO2 suficiente para retornar aos níveis pré-industriais de CO2 atmosférico seria de US$ 708 trilhões, ou aproximadamente 25 vezes o PIB dos EUA em 2023 (4).

Esta metodologia não é atualmente um método viável para impactar significativamente os níveis de CO2 em nossa atmosfera. Inovação e aprimoramento tanto na terceira reação do processo de sequestro de carbono quanto no armazenamento/venda do CO2 produzido podem reduzir o custo geral desse processo, permitindo sua implementação em maior escala e um impacto positivo geral maior (4). A captura de metano, um superpoluente que prejudica a saúde e impulsiona as mudanças climáticas, pode complementar as estratégias de sequestro de carbono, visando poluentes climáticos de curta duração que oferecem benefícios imediatos à saúde e ao clima. No entanto, com mais inovação para criar um processo mais econômico e combinação com outras formas de energia renováveis, o sequestro de carbono pode ser uma ferramenta importante para mitigar os efeitos negativos das mudanças climáticas.

Um método de base biológica que vem ganhando cada vez mais reconhecimento nos últimos anos é a Agricultura Regenerativa (AR). A Agricultura Regenerativa oferece uma abordagem mais integrada e sustentável à agricultura, com foco na restauração do solo e no equilíbrio ecológico a longo prazo (5). Ao contrário da agricultura convencional, que frequentemente depende fortemente de fertilizantes químicos e pesticidas, a AR enfatiza práticas tradicionais baseadas na natureza (6). Os cinco princípios fundamentais nos quais a agricultura regenerativa se baseia principalmente para melhorar a saúde do solo são: minimizar a perturbação do solo, maximizar a diversidade das culturas, manter a cobertura contínua do solo, manter raízes vivas no solo ao longo do ano e integrar a pecuária, como o gado, aos sistemas agrícolas.

Apesar de ser uma das abordagens mais eficazes para a agricultura sustentável e o armazenamento de carbono atmosférico, a AR enfrenta diversas barreiras à sua ampla implementação (7). Essa abordagem é demorada e exige um manejo cuidadoso e consistente. Os agricultores precisam adotar novas técnicas e desenvolver uma compreensão mais aprofundada da biologia do solo, das interações entre plantas e das práticas ecossistêmicas para administrar suas terras de forma eficaz. Essas mudanças geralmente exigem treinamento técnico e comprometimento de longo prazo, o que não é viável para todas as comunidades agrícolas.

No entanto, se a AR for apoiada pela implementação e integração consistentes de tecnologias modernas — como drones, sensores e robótica agrícola —, ela tem o potencial de se tornar uma das estratégias de longo prazo mais confiáveis ​​para o armazenamento de carbono (8). Essas tecnologias podem melhorar a precisão e a eficiência das práticas de manejo da terra, facilitando o monitoramento da saúde do solo, otimizando a rotação de culturas e reduzindo tarefas que exigem muita mão de obra. Por exemplo, um estudo constatou que o solo tem a capacidade de sequestrar até 3.4 gigatoneladas de carbono por ano por meio de práticas agrícolas (9). Alcançar essa escala de sequestro, no entanto, exigiria o plantio de aproximadamente 5.72 × 10¹¹ árvores anualmente.

O processo de AR envolve várias etapas biológicas e químicas interligadas que contribuem para o armazenamento de carbono a longo prazo nos solos. Começa com o aumento do cultivo de árvores, culturas e plantas, que desempenham um papel crucial na captura de dióxido de carbono (CO₂) atmosférico por meio do processo de fotossíntese. Durante a fotossíntese, as plantas convertem CO₂ e água em glicose (C₆H₁₂O₆) e oxigênio (O₂), seguindo a reação: 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂.

A glicose produzida não é usada apenas para o crescimento das plantas, mas também é exsudada pelas raízes para o solo, sustentando as comunidades microbianas. Esses exsudatos das raízes estimulam a respiração e a atividade microbiana na rizosfera, melhorando a ciclagem de nutrientes. Parte do carbono orgânico é eventualmente estabilizada por meio de um processo chamado humificação, no qual resíduos microbianos e vegetais são transformados em substâncias húmicas complexas. Essas substâncias formam matéria orgânica estável do solo, que pode permanecer no solo por décadas, armazenando efetivamente carbono no solo.

Embora a AR seja uma abordagem altamente sustentável, um progresso significativo por meio desse método requer uma redução simultânea nas emissões antropogênicas de carbono. Um estudo indica que a quantidade anual de dióxido de carbono emitida por atividades humanas excede a quantidade que pode ser sequestrada por meio de práticas agrícolas regenerativas (orçamento anual global). Por exemplo, em 2023, foram emitidas 36.8 gigatoneladas de CO2, em comparação com as 3.4 gigatoneladas de carbono sequestradas por ano por meio da AR.

O concreto é um material de construção onipresente; está presente em nossas estradas, calçadas, edifícios, pontes e túneis. De fato, o concreto é a segunda substância mais utilizada no mundo, perdendo apenas para a água, e “o dobro de concreto é usado na construção civil em comparação com todos os outros materiais de construção combinados” (12). Atualmente, o mundo produz 30 bilhões de toneladas de concreto por ano, e a demanda global por concreto só aumenta, principalmente com a aceleração da industrialização em muitos países do Sul Global (13). Infelizmente, o concreto tem um custo energético.

O cimento, um componente chave do concreto, é criado por meio de um processo conhecido como calcinação — uma mistura de calcário e argila é aquecida a temperaturas muito altas, o que causa uma reação química que produz dióxido de carbono (CO ₂ ) e cal (CaO). A cal é então misturada com mais argila e aquecida novamente para formar cimento. Finalmente, esse cimento reage com a água para formar vários produtos de hidratação, que endurecem e unem agregados (principalmente areia, cascalho e brita), formando o que conhecemos como concreto.

No entanto, quando a entrada de energia significativa necessária para aquecer o cimento e o CO ₂  liberado como subproduto durante a calcinação são levados em consideração, torna-se evidente que o concreto tem uma pegada de carbono bastante significativa. De fato, uma tonelada de cimento libera 0.85 toneladas de CO ₂ , e a indústria do concreto produz de 4% a 8% das emissões de carbono do mundo (14). Atualmente, nenhum outro material de construção é capaz de igualar a versatilidade, o baixo custo e a facilidade de produção do concreto, mas existe alguma maneira de reduzir a pegada de carbono do concreto e, ao mesmo tempo, potencialmente reduzir os custos para a indústria?

Acontece que, apesar de emitir dióxido de carbono durante o processo de mistura, o concreto também absorve carbono por meio de uma reação química passiva conhecida como carbonatação por intemperismo. Durante este processo, o hidróxido de cálcio (Ca(OH) ₂ , também conhecido como portlandita), um subproduto das reações de hidratação no concreto, reage com o dióxido de carbono no ar para formar carbonato de cálcio (CaCO ₃ , também conhecido como calcita). Esta é uma forma de sequestro de carbono — carbono do ar (CO ₂ ) é “sequestrado” na forma mineral dentro da estrutura molecular do concreto.

No entanto, como estratégia potencial para mitigar as mudanças climáticas e reduzir a pegada de carbono da indústria do concreto, esse processo apresenta várias desvantagens. A primeira é que ocorre muito lentamente; uma tonelada de concreto absorve até 0.9 kg de COXNUMX. ₂  por ano via carbonatação por intemperismo, embora esse valor seja altamente dependente de condições ambientais como umidade e temperatura (13). Isso significa que a absorção de carbono que ocorre durante a carbonatação por intemperismo é muito menor do que o carbono emitido pela indústria. A segunda desvantagem é que, sob exposição prolongada ao CO ₂ , o gel de silicato de carbono hidratado (CSH), que ajuda a unir o concreto, se decompõe e o concreto começa a se degradar. No entanto, podemos usar as reações químicas básicas que ocorrem durante a carbonatação por intemperismo como um modelo para desenvolver uma técnica de sequestro de carbono no concreto que seja rápida e ativa, em vez de lenta e passiva.

Acontece que a indústria atualmente tem dois métodos. O primeiro é chamado carbonatação mineral, e é essencialmente uma “imitação acelerada do intemperismo das rochas” (13). A carbonatação mineral tem como alvo compostos ligantes; normalmente, o cimento é simplesmente misturado com água para formar os produtos de hidratação que unem os agregados do concreto. No entanto, se o CO ₂  é dissolvido em água para formar ácido carbônico (H ₂ CO ₃ ), os íons hidrônio do ácido quebram os óxidos de silicato do cimento, liberando os íons de cálcio e magnésio do cimento para formar carbonatos estáveis. De acordo com um estudo, a carbonatação mineral comercial pode sequestrar até 3 Gt de carbono por ano.

O segundo método tem como alvo o concreto em si. O concreto é frequentemente curado após a mistura para garantir reações rápidas de hidratação, o que tem efeitos benéficos para a durabilidade e resistência do concreto a longo prazo. O vapor é o meio típico pelo qual o concreto é curado, pois permite altas temperaturas e umidade relativa (15), mas o CO ₂  também pode ser usado para o mesmo efeito. Este processo, onde o CO ₂  o gás é injetado no concreto em idade precoce (ou seja, no máximo alguns dias após a mistura) é conhecido como cura por carbonatação. Semelhante à carbonatação mineral, a cura por carbonatação envolve a reação de óxidos de silicato com água e CO ₂  para formar CaCO ₃ .

É claro que a obtenção de CO puro ₂  O gás, bem como o projeto e a manutenção das câmaras de reação fechadas necessárias para a cura, representam um custo adicional para o fabricante. No entanto, é possível reduzir esses custos substituindo os materiais tradicionais de ligantes e agregados por alternativas recicladas para produzir o que é conhecido na indústria como "concreto verde". Por exemplo, o cimento Portland, a escolha típica para o componente de cimento do concreto, pode ser substituído parcial ou completamente por cinza volante (um subproduto da indústria do carvão) ou escória de aciaria, uma vez que ambos contêm os óxidos necessários para que as reações de hidratação ocorram. Um estudo descobriu que a substituição do cimento Portland por uma mistura de cinza volante e cal levou a uma mistura de concreto com um grau de carbonatação de 78%, em comparação com um grau de carbonatação de 32% na mistura de controle de cimento Portland (13).

Além disso, cascalho e brita, as escolhas típicas para agregados graúdos, podem ser substituídos por subprodutos de demolição (tijolos britados, concreto, etc.). A carbonatação mineral também pode ser realizada nesses agregados para aumentar sua resistência e durabilidade, bem como sua capacidade de sequestrar carbono. Finalmente, agregados finos (tipicamente areia) podem ser substituídos por biochar, que tem o benefício adicional de ser um produto do próprio sequestro de carbono (o biochar é formado pela queima de matéria orgânica em temperaturas muito altas em um ambiente de baixo oxigênio, levando à formação de estruturas de carbono estáveis). Alguns estudos descobriram que o biochar pode acelerar as reações de hidratação durante a cura por carbonatação em idade inicial, levando a uma maior resistência à compressão (16). O biochar também é altamente poroso, o que significa que possui mais locais onde as reações de carbonatação podem ocorrer.

Ao contrário da CCS ou da agricultura regenerativa, o concreto verde não exige uma mudança em larga escala na indústria existente ou a criação de uma nova; basta incorporar subprodutos reciclados à mistura de concreto e usar tecnologias de cura por carbonatação em vez de vapor. Os fabricantes de cimento têm atualmente os meios para investir em um futuro mais adaptável ao clima — um futuro em que construiremos nossas cidades a partir do CO2 sequestrado. ₂ .