Un combustibil neutru din carbon este un combustibil care nu provoacă emisii nete de gaze cu efect de seră sau amprentă de carbon . În practică, aceasta înseamnă de obicei combustibil care este produs folosind dioxid de carbon (CO 2 ) ca materie primă . Combustibilii neutri din carbon propuși pot fi împărțiți în general în combustibili sintetici , care sunt produși prin hidrogenarea chimică a dioxidului de carbon și biocarburanți , care sunt produși folosind procese naturale consumatoare de CO2 , cum ar fi fotosinteza .
Dioxidul de carbon folosit la fabricarea combustibililor sintetici poate fi captat direct din aer , reciclat din gazele de evacuare a centralei electrice sau produs din acidul carbonic din apa de mare . Exemple de combustibili sintetici includ hidrogenul , amoniacul și metanul [1] , deși hidrocarburi mai complexe precum benzina și kerosenul [2] au fost, de asemenea, sintetizate cu succes artificial. Pe lângă faptul că sunt neutri în carbon, acești combustibili regenerabili pot reduce costul importului de combustibili fosili și pot reduce dependența de aceștia. Un avantaj suplimentar poate fi absența necesității de a comuta vehiculele la o unitate electrică sau cu hidrogen [3] . Pentru ca un proces să fie cu adevărat neutru în carbon, orice energie necesară procesului trebuie să fie în sine neutră în carbon, cum ar fi energia regenerabilă sau energia nucleară [4] [5] [6] [7] .
Dacă arderea combustibilului neutru din punct de vedere al carbonului captează carbon în coș sau țeavă de evacuare, aceasta are ca rezultat emisii nete negative de dioxid de carbon și, prin urmare, poate reprezenta o formă de recuperare a gazelor cu efect de seră . Emisiile negative sunt considerate a fi componenta principală a eforturilor de limitare a încălzirii globale, deși tehnologiile care le asigură nu sunt în prezent competitive din punct de vedere economic [8] . Este posibil ca creditele de carbon să joace un rol important în promovarea combustibililor negativi de carbon [9] .
Combustibilii neutri din carbon sunt hidrocarburi sintetice. Sursa lor principală este reacțiile chimice dintre dioxidul de carbon și hidrogen, care se formează în timpul electrolizei apei folosind surse regenerabile de energie. Combustibilul, denumit adesea combustibil electric , este depozitul de energie folosit pentru a produce hidrogen [10] . Cărbunele poate fi folosit și pentru a produce hidrogen, dar nu va fi o sursă neutră din carbon. Dioxidul de carbon poate fi captat și îngropat, făcând combustibilii fosili neutri din punct de vedere al carbonului, deși nu sunt regenerabili. Captarea carbonului din gazele de eșapament poate transforma un combustibil cu carbon neutru într-un combustibil cu carbon negativ. Hidrocarburile naturale pot fi descompuse pentru a forma hidrogen și dioxid de carbon, care sunt apoi eliminate în timp ce hidrogenul este folosit ca combustibil. Acest proces va fi, de asemenea, neutru în carbon [11] .
Cel mai eficient combustibil și cel mai avansat din punct de vedere tehnologic din producție este hidrogenul gazos [12] , care poate fi utilizat în vehiculele cu pile de combustie cu hidrogen. Hidrogenul este produs de obicei prin electroliza apei . Metanul, adică gazul natural sintetic, poate fi apoi produs prin reacția Sabatier , care poate fi stocat pentru ardere ulterioară în centrale electrice , transportat prin conducte, camion sau cisternă, utilizat în procese gaz-lichid, cum ar fi procesul Fischer-Tropsch , pentru producerea de combustibili lichizi pentru transport sau încălzire [3] [13] [14] .
Există mai mulți combustibili care pot fi creați folosind hidrogen. Acidul formic, de exemplu, poate fi obţinut prin reacţia hidrogenului cu C02 . Acidul formic în combinație cu CO 2 poate forma izobutanol [15] .
Metanolul poate fi obținut ca rezultat al reacției chimice a unei molecule de dioxid de carbon cu trei molecule de hidrogen pentru a forma apă. Energia stocată poate fi recuperată prin arderea metanolului într-un motor cu ardere internă, eliberând dioxid de carbon, apă și căldură. Metanul poate fi obținut printr-o reacție similară. Precauții speciale împotriva scurgerilor sunt importante deoarece metanul este de aproape 100 de ori mai puternic decât CO 2 în ceea ce privește potențialul de încălzire globală . Mai mult, este posibil să se combine chimic metanol sau molecule de metan în molecule mai mari de combustibil de hidrocarburi [3] .
Cercetătorii au sugerat, de asemenea, utilizarea metanolului pentru a produce dimetil eter . Acest combustibil poate fi folosit ca înlocuitor al motorinei datorită capacității sale de a se autoaprinde la presiune și temperatură ridicată. Este deja folosit în unele zone pentru încălzire și producerea de energie. Este netoxic dar trebuie depozitat sub presiune [16] . Hidrocarburile mai mari [12] și etanolul [17] pot fi, de asemenea, produse din dioxid de carbon și hidrogen.
Toate hidrocarburile sintetice se obțin de obicei la temperaturi de 200-300°C și la presiuni de 20 până la 50 bar. Catalizatorii sunt utilizați în mod obișnuit pentru a crește eficiența reacției și pentru a crea tipul dorit de combustibil de hidrocarburi . Astfel de reacții sunt exoterme și folosesc aproximativ 3 moli de hidrogen per mol de dioxid de carbon implicat. De asemenea, produc cantități mari de apă ca produs secundar [4] .
Cea mai economică sursă de carbon pentru procesarea în combustibil sunt emisiile de gaze arse de la arderea combustibililor fosili , unde poate fi obținut la aproximativ 7,50 USD pe tonă [6] [18] [13] . Cu toate acestea, procesul nu este neutru în carbon, deoarece carbonul este de origine fosilă și se deplasează din geosferă în atmosferă. Captarea eșapamentului vehiculului este, de asemenea, considerată economică, dar ar necesita modificări sau îmbunătățiri semnificative de proiectare [19] . Deoarece dioxidul de carbon din apa de mare este în echilibru chimic cu dioxidul de carbon atmosferic, se studiază extracția carbonului din apa de mare [20] [21] . Cercetătorii au calculat că extragerea carbonului din apa de mare ar costa aproximativ 50 USD pe tonă [7] . Captarea carbonului din aerul atmosferic este mai costisitoare, variind de la 94 USD la 232 USD pe tonă și este considerată nepractică pentru sinteza combustibilului sau sechestrarea carbonului [22] . Captarea aerului este mai puțin dezvoltată decât alte metode. De obicei, alcalinele sunt folosite pentru a reacționa cu dioxidul de carbon din aer și pentru a forma carbonați . Carbonații pot fi apoi descompuse și hidratați pentru a elibera CO2 pur și a regenera alcalii . Acest proces necesită mai multă energie decât alte metode deoarece concentrația de dioxid de carbon din atmosferă este mult mai mică decât în alte surse [3] .
În plus, se propune utilizarea biomasei ca sursă de carbon pentru producerea de combustibil. Adăugarea de hidrogen la biomasă va reduce cantitatea de carbon din aceasta și va duce la formarea combustibilului. Această metodă are avantajul de a folosi materie vegetală pentru a capta dioxidul de carbon ieftin. Plantele adaugă, de asemenea, energie chimică din moleculele biologice la combustibil. Aceasta poate fi o utilizare mai eficientă a biomasei decât biocombustibilii convenționali , deoarece utilizează mai mult carbon și energie chimică din biomasă în loc să elibereze cât mai multă energie și carbon. Principalul său dezavantaj este că, ca și în cazul producției convenționale de etanol, concurează cu producția de alimente [4] .
Energia eoliană pe timp de noapte este considerată cea mai economică formă de energie electrică care poate fi utilizată pentru a sintetiza combustibili, deoarece curba de sarcină pentru sistemele de alimentare atinge vârfuri brusc în timpul zilei, în timp ce vântul tinde să fie puțin mai puternic noaptea decât în timpul zilei. Astfel, costul energiei eoliene pe timp de noapte este adesea mult mai mic decât costul oricărei alternative. Prețurile energiei eoliene în afara vârfului în zonele cu vânt puternic din SUA au fost în medie de 1,64 cenți/ kWh în 2009 și doar 0,71 cenți/kWh pe timp de noapte [3] . De regulă, prețul cu ridicata al energiei electrice în timpul zilei este de la 2 la 5 cenți pe kilowatt-oră. Companiile comerciale de sinteză a combustibilului presupun că benzina sintetică devine mai ieftină decât benzina obișnuită la prețuri la petrol peste 55 USD pe baril.
În 2010, o echipă de tehnologi în chimie condusă de Heather Willauer de la Marina SUA a calculat că, cu 100 MW de putere electrică, 160 m³ de combustibil pentru avioane ar putea fi produși pe zi , iar producția la bordul navelor cu propulsie nucleară ar costa aproximativ 1.600 USD pe zi. metru cub (6 USD per galon SUA). În timp ce acesta a fost aproximativ dublu față de costul păcurii în 2010, era de așteptat să fie cu mult sub prețul pieței în mai puțin de cinci ani, dacă tendințele recente vor continua. Mai mult decât atât, deoarece costă aproximativ 8 USD per galon SUA pentru a livra combustibil unui grup de portavion , producția locală este mult mai ieftină [23] .
Willauer observă că apa de mare este „cea mai bună opțiune” ca sursă de carbon pentru combustibilul de reacție sintetic [24] [25] . Până în aprilie 2014, echipa lui Willauer nu a produs încă combustibil conform standardelor aeronavelor militare [26] [27] , dar în septembrie 2013 au putut să folosească combustibil sintetic pentru a pilota un model radiocontrol alimentat de două motoare cu ardere internă în doi timpi [ 28] . Întrucât acest proces necesită cantități mari de energie electrică, primii transportatori ai instalației pentru producerea propriului combustibil pentru avioane vor fi portavioane nucleare de tipul Nimitz și Gerald Ford [29] . Marina SUA este de așteptat să implementeze această tehnologie în anii 2020.
Instalația de sinteză a metanului de 250 de kilowați a fost construită de Centrul de Cercetare pentru Energie Solară și Hidrogen (ZSW) din Baden-Württemberg și Societatea Fraunhofer din Germania și a început să funcționeze în 2010. Este în curs de modernizare la 10 megawați și este programată pentru finalizare în toamna anului 2012 [30] [31] .
Uzina de dioxid de carbon George Ohl , operată de Carbon Recycling International din Grindavik , Islanda, produce 2 milioane de litri de combustibil pentru transportul metanolului pe an din 2011 din gazele de ardere de la centrala electrică Swarzengi [32] . Capacitatea sa maximă este de 5 milioane de litri pe an [33] .
Audi a construit o fabrică de gaz natural lichefiat (GNL) cu zero carbon în Werlte, Germania [34] . Fabrica este concepută pentru a produce combustibilul de transport utilizat în vehiculele lor A3 Sportback g-tron și poate, la capacitatea sa inițială, să extragă 2.800 de tone metrice de CO 2 pe an [35] din atmosferă .
Evoluții comerciale au loc în Columbia (Carolina de Sud) [36] , Camarillo (California) [37] și Darlington (Marea Britanie) [38] . Un proiect demonstrativ din Berkeley, California, propune sinteza combustibililor și uleiurilor comestibile din gazele de ardere recuperate [39] .
Combustibilii neutri din punct de vedere al carbonului pot duce la recuperarea gazelor cu efect de seră, deoarece dioxidul de carbon va fi reutilizat pentru a produce combustibil, mai degrabă decât emis în atmosferă. Eliminarea dioxidului de carbon din evacuarea centralelor electrice va elimina eliberarea acestuia în atmosferă, deși atunci când combustibilul este ars în vehicule, carbonul va fi eliberat deoarece nu există o modalitate economică de a capta aceste emisii [3] . Această abordare, utilizată în toate centralele electrice pe combustibili fosili, ar reduce emisiile nete de dioxid de carbon cu aproximativ 50%. Se anticipează că majoritatea centralelor electrice pe cărbune și gaze naturale vor fi modernizate economic cu epuratoare de dioxid de carbon pentru captarea carbonului, recircularea gazelor de eșapament sau sechestrarea carbonului [40] [18] [41] . Nu numai că se preconizează că o astfel de rafinare va costa mai puțin decât impacturile economice excesive ale schimbărilor climatice, dar va de asemenea plăti, deoarece cererea globală de combustibil în creștere și lipsa maximă de petrol duce la creșterea prețului petrolului și gazelor naturale fungibile [42] [43] .
Captarea CO 2 direct din aer sau extragerea dioxidului de carbon din apa de mare va reduce, de asemenea, cantitatea de dioxid de carbon din mediu și va crea un ciclu închis al carbonului pentru a elimina noile emisii de dioxid de carbon [4] . Utilizarea acestor metode va elimina complet nevoia de cărbune, petrol și gaze, presupunând că energia regenerabilă este suficientă pentru a produce combustibil. Utilizarea hidrocarburilor sintetice pentru a produce materiale sintetice precum materialele plastice poate duce la captarea permanentă a carbonului din atmosferă [3] .
Unele autorități au recomandat producția de metanol în locul combustibilului tradițional de transport. Este un lichid la temperatura normala, toxic daca este ingerat. Metanolul are un octan mai mare decât benzina, dar o densitate energetică mai mică și poate fi amestecat cu alți combustibili sau folosit singur. Poate fi folosit și la producerea de hidrocarburi și polimeri mai complexe. Pilele de combustibil cu metanol au fost dezvoltate de Jet Propulsion Laboratory de la Institutul de Tehnologie din California pentru a transforma metanolul și oxigenul în energie electrică [16] . Metanolul poate fi transformat în benzină, combustibil pentru avioane sau alte hidrocarburi, dar acest lucru necesită energie suplimentară și instalații de producție mai sofisticate [3] . Metanolul este puțin mai coroziv decât combustibilii tradiționali, așa că necesită o modificare a mașinii care costă în jur de 100 USD [4] [44] .
În 2016, a fost dezvoltată o metodă de transformare a dioxidului de carbon în etanol folosind vârfuri de carbon , nanoparticule de cupru și azot.
Combustibilii obținuți din microalge au potențialul de a avea o amprentă redusă de carbon și reprezintă o zonă activă de cercetare, deși până în prezent nu a fost implementat un sistem de producție la scară largă. Microalgele sunt organisme unicelulare acvatice . Deși, spre deosebire de majoritatea plantelor, au o structură celulară extrem de simplă, ele sunt încă fotoautotrofe , capabile să folosească energia solară pentru a transforma dioxidul de carbon în carbohidrați și grăsimi prin fotosinteză . Acești compuși pot servi drept materii prime pentru biocombustibili precum bioetanolul sau biodieselul [45] . Prin urmare, chiar dacă arderea combustibililor pe bază de microalge ar produce în continuare emisii ca orice alt combustibil, ar putea fi neutră în carbon dacă ar fi absorbită în total aceeași cantitate de dioxid de carbon ca cea emisă în timpul arderii.
Avantajele microalgelor sunt eficiența lor mai mare de fixare a CO 2 comparativ cu majoritatea plantelor [46] și capacitatea lor de a crește într-o mare varietate de habitate acvatice [47] . Principalul lor dezavantaj este costul lor ridicat. S-a susținut că chimia lor unică și foarte variabilă le poate face atractive pentru unele aplicații [45] .
Microalgele care conțin cantități mari de proteine pot fi folosite ca hrană pentru animale . Unele specii de microalge produc compuși valoroși, cum ar fi pigmenți și produse farmaceutice [48] .
ProducțieCele două metode principale de creștere a microalgelor sunt sistemele de drenaj și fotobioreactoarele (PBR). Sistemele Raceway Pond constau dintr-un canal oval cu buclă închisă care are o roată cu zbaturi pentru a circula apa și a preveni depunerea. Canalul este situat sub cerul liber, adâncimea sa este în intervalul 0,25-0,4 m [45] . Iazul trebuie să fie puțin adânc, deoarece auto-umbrirea și absorbția optică pot duce la pătrunderea limitată a luminii. Mediul nutritiv al fotobioreactorului constă din eprubete transparente închise. Are un rezervor central în care circulă bulionul de microalge. Fotobioreactorul este un sistem mai simplu de operat, dar necesită un cost total de producție mai mare.
Emisiile de carbon din biomasa de microalge produse în apele de scurgere pot fi comparate cu emisiile de la biomotorină convențională atunci când consumul de energie și nutrienți este considerat ca fiind intensiv în carbon. Emisiile corespunzătoare din biomasa de microalge produse în fotobioreactoare pot depăși chiar emisiile de la combustibilul diesel fosil convențional. Ineficiența este legată de cantitatea de energie electrică folosită pentru a pompa bulionul de alge prin sistem. Utilizarea produsului secundar pentru a genera energie electrică este o strategie care poate îmbunătăți bilanțul general de carbon. De asemenea, trebuie luat în considerare faptul că emisiile de carbon pot apărea în diverse industrii de servicii - managementul apei, manipularea dioxidului de carbon și furnizarea de nutrienți. Dar, în general, sistemele Raceway Pond arată un echilibru energetic mai atractiv decât sistemele cu fotobioreactor.
EconomieCostul producerii de microalge și biocombustibili prin implementarea sistemelor de bazine hidrografice este dominat de costurile de operare, care includ forța de muncă, materiile prime și utilitățile. În sistemul unui rezervor cu drenaj în timpul procesului de cultivare, cea mai mare cheltuială este energia electrică pentru asigurarea circulației culturilor de microalge, care variază de la 22% la 79% [45] . Dimpotrivă, în fotobioreactoare costurile de capital prevalează asupra costurilor de producție. Acest sistem are un cost de instalare ridicat, deși costurile de exploatare sunt relativ mai mici decât cele ale sistemelor de bazin hidrografic.
Biocombustibilul din microalge este mai scump decât combustibilii fosili, aproximativ 3 USD pe litru [49] , care este semnificativ mai scump decât benzina obișnuită.
Impactul asupra mediuluiConstruirea de ferme de microalge la scară largă va duce inevitabil la impacturi negative asupra mediului asociate cu schimbarea utilizării terenurilor , cum ar fi distrugerea ecosistemelor naturale existente. Microalgele pot, de asemenea, să emită gaze cu efect de seră, cum ar fi metanul sau protoxidul de azot , sau gaze urât mirositoare precum hidrogenul sulfurat , în anumite condiții , deși acest lucru nu a fost studiat pe larg până în prezent. Dacă nu sunt gestionate corespunzător, toxinele produse în mod natural de microalge se pot infiltra în sol sau în apele subterane [50] .
ProducțieApa este supusă electrolizei la temperaturi ridicate pentru a forma hidrogen gazos și oxigen gazos. Energia pentru aceasta provine din surse regenerabile, cum ar fi energia eoliană. Hidrogenul reacţionează apoi cu dioxidul de carbon comprimat captat din atmosferă . În urma reacției, se formează ulei albastru, format dintr-un amestec de hidrocarburi. Uleiul albastru este apoi rafinat pentru a produce motorină de înaltă performanță [51] [52] . La capacitatea actuală de producție, se pot produce aproximativ 1.000 de litri de combustibil pe lună, sau 0,0002% din producția zilnică de combustibil din Statele Unite. [53] În plus, fezabilitatea termodinamică și economică a acestei tehnologii a fost pusă la îndoială. Prin urmare, această tehnologie nu creează o alternativă la combustibilii fosili, ci mai degrabă transformă energia regenerabilă în combustibili lichizi. Randamentul energetic al energiei investite în motorina fosilă este estimat a fi de 18 ori mai mare decât cel al motorinei sintetice. [54]
Cercetările privind combustibilii neutri din punct de vedere al carbonului au loc de zeci de ani. În 1965, s-a propus sintetizarea metanolului din dioxidul de carbon din aer folosind energia nucleară [55] . Producția marină de combustibili sintetici folosind energia nucleară a fost studiată în 1977 și 1995 [56] [57] În 1984, a fost studiată recuperarea dioxidului de carbon din instalațiile de combustibili fosili [58] . În 1995, a fost estimat costul conversiei navelor pentru a utiliza metanol neutru din carbon cu sinteza ulterioară a benzinei [44] .