Ciclo do carbono
O carbono, o quarto elemento mais abundante no Universo, é a base da vida como a conhecemos. Entender seu ciclo é fundamental para compreender os processos naturais do planeta e o impacto das atividades humanas.
Pontos-chave
- O carbono é um elemento essencial para a vida e o quarto mais abundante no Universo.
- O ciclo do carbono opera em escalas geológicas e biológicas, envolvendo a atmosfera, oceanos e a litosfera.
- A fotossíntese e a respiração são processos biológicos chave na renovação do carbono atmosférico.
- Atividades humanas, como a queima de combustíveis fósseis, alteram significativamente o ciclo natural do carbono.
- Tecnologias de Captura e Armazenamento de Carbono (CAC) buscam mitigar o aumento de CO2 atmosférico.
Operando em milhões de anos, este ciclo está intrinsecamente ligado à estrutura do planeta. Iniciado há cerca de 4,55 bilhões de anos com a formação da Terra, o carbono foi trazido por corpos celestes. Atualmente, mais de 99% do carbono terrestre está na litosfera, principalmente como carbono inorgânico em rochas sedimentares, como o calcário. O carbono orgânico, por sua vez, encontra-se em depósitos de combustíveis fósseis. Existe um intercâmbio contínuo entre a crosta terrestre, os oceanos e a atmosfera. O CO2 atmosférico reage com a água, formando ácido carbônico, que lentamente interage com minerais da crosta, gerando carbonatos. A erosão transporta esses carbonatos para os oceanos, onde se depositam ou são incorporados por organismos marinhos, formando rochas sedimentares ao longo de milênios.
Ciclos Orbitais e Clima
Variações periódicas na órbita terrestre ao redor do Sol influenciaram o ciclo do carbono e a atmosfera. Eventos como a Extinção em Massa Triássico-Jurássica e o evento anóxico oceânico toarciano foram associados a essas mudanças. Alterações na órbita afetam a energia solar recebida pela Terra, impactando processos climáticos, ambientais e o ciclo do carbono em diversas escalas.
Imagem: Carbon_cycle-cute_diagram.jpeg: User Kevin Saff on en.wikipedia Derivative work: FischX Modifications and translation into Portuguese made by Gtyogui · BY-SA · Openverse
Este ciclo é notavelmente rápido, com a renovação do carbono atmosférico estimada em cerca de 20 anos. Em condições naturais, os principais reservatórios de carbono são o terrestre (20.000 Gt), a atmosfera (750 Gt) e os oceanos (40.000 Gt). A fotossíntese, onde plantas absorvem energia solar e CO2 para produzir oxigênio e açúcares, e a respiração, onde plantas e animais utilizam esses açúcares liberando CO2, são os processos centrais. A decomposição orgânica, realizada por bactérias e fungos, também devolve carbono biologicamente fixado para a atmosfera.
Imagem: Odjair Nascimento Baena · BY-SA · Openverse
O armazenamento de carbono em depósitos fósseis, estimado entre 4.000 e 10.000 Gt, representa uma remoção do ciclo rápido. No entanto, atividades humanas como a queima de combustíveis fósseis e o desmatamento introduzem carbono desses depósitos no ciclo biológico. Isso resulta em um aumento da emissão de CO2 para a atmosfera, superando a capacidade natural de remoção e causando um rápido aumento nas concentrações atmosféricas. Em apenas 200 anos, a concentração de CO2 passou de 280 ppm para mais de 400 ppm, um aumento superior a 30%.
Imagem: Texto e fotos: Ascom Crea/BA · BY-SA · Openverse
A Biosfera desempenha um papel crucial na captura de CO2, absorvendo mais de 4 bilhões de toneladas anualmente. Os combustíveis fósseis, originados de sedimentos do ciclo geológico, são a principal fonte de emissões antropogênicas de CO2 quando explorados. O uso de calcário na construção civil também contribui para as emissões.
Os gasodutos são a tecnologia mais desenvolvida e testada para o transporte de CO2 capturado. O gás é comprimido a altas pressões (acima de 8 MPa) para evitar fluxos bifásicos e aumentar a densidade, reduzindo custos. Em alguns casos, o CO2 pode ser transportado em forma líquida em navios ou caminhões-tanque, utilizando baixas temperaturas e altas pressões. Ambos os métodos já são utilizados em outras aplicações industriais.
Captura natural
Um dos serviços mais importantes do ecossistema, relacionado com o ciclo do Carbono, é a captura do CO2 por diferentes elementos que compõe a Biosfera. O aumento das emissões antropogénicas de CO2 tem vindo a ser absorvidas pela atmosfera, pelos oceanos e pelas florestas e outras espécies vegetais. O aumento do CO2 na atmosfera traz como consequência o aumento do efeito de estufa, originando as alterações climáticas. Com o aumento do CO2 atmosférico, também aumenta a absorção dos oceanos tendo como consequência a acidificação dos oceanos, e eventuais efeitos nos ecossistemas marítimos (corais, peixes, etc.). A última parcela é absorvida pelas florestas (biomassa), as quais podem ser utilizadas como sumidouro de carbono (através da fotossíntese).
Capital humano: sistemas de captura e armazenamento de CO2 (CAC)
O CAC consiste na separação do CO2 emitido pelas indústrias, no seu transporte para o local de armazenamento e no seu sequestro a longo prazo. As centrais elétricas e outros processos industriais de grande escala são os principais candidatos para este sistema. Atualmente não existe uma solução tecnológica única para este tipo de sistemas, estando prevista uma carteira de opções tecnológicas que se adaptarão dependendo das situações. A tecnologia atual permitiria capturar entre 80-90% do CO2 produzido numa central eléctrica, mas tem como conseqüência um aumento da produção de CO2 devido à redução da eficiência (existe um aumento da energia necessária, entre 10 a 40%, para poder implementar o processo de CAC).
Captura
Existem três tecnologias principais de captura: Este processo requer uma separação prévia do oxigénio do ar, para obter um gás com uma pureza de 95 a 99%. O desafio é como separar o oxigénio do resto do ar. As estratégias são semelhantes às usadas para separar CO2. O ar pode ser arrefecido, para que o oxigénio se liquefaça. Membranas onde passa oxigénio e nitrogénio a diferentes taxas podem provocar a separação. Há também, materiais que absorvem o nitrogénio, separando-o, do oxigénio. A aplicação destes sistemas em caldeiras está actualmente em fase de demonstração e a sua aplicação em sistemas de turbinas à gás ainda estão em fase de investigação.
O armazenamento geológico injeta CO2 condensado em formações rochosas subterrâneas. Outras opções incluem o armazenamento oceânico, que levanta preocupações ambientais devido à acidificação dos oceanos. A carbonatação mineral reage o CO2 com óxidos metálicos em minerais ou resíduos industriais para formar carbonatos estáveis. Embora a reação natural seja lenta, tratamentos prévios dos minerais podem acelerá-la, mas são intensivos em energia. Esta tecnologia está em pesquisa, com algumas aplicações em resíduos industriais em fase de demonstração.
Atualmente, os custos das tecnologias de CAC ainda são relativamente altos, pois muitas estão em desenvolvimento ou demonstração. A maior parte desses custos (cerca de ¾) está relacionada à etapa de captura e compressão. A necessidade de energia adicional em centrais com CAC (11-22% a mais) eleva os custos de produção de eletricidade. Por exemplo, em centrais de gás natural, os custos podem variar entre 19% e 63% a mais em comparação com sistemas sem CAC.
As estimativas de capacidade de armazenamento são, em grande parte, teóricas, com maior precisão para jazidas de petróleo. O potencial técnico de armazenamento geológico é estimado em pelo menos 2000 Gt de CO2. O armazenamento oceânico, com potencial de milhares de Gt, só seria viável se os impactos ambientais fossem reduzidos. Em cenários de estabilização de gases de efeito estufa, o potencial econômico do CAC pode variar de 220 a 2200 Gt de CO2, contribuindo significativamente (15-55%) para os esforços globais de mitigação até 2100.
A implementação do CAC aumenta a produção de CO2 devido à perda de eficiência energética nas etapas de captura, transporte e armazenamento. O consumo adicional de combustível em instalações existentes pode variar de 11% a 40%. Para instalações piloto, a energia térmica adicional por tonelada de CO2 capturado pode chegar a 2 GJ, representando uma redução de eficiência de 15-25%. Os riscos incluem fugas em larga escala que podem agravar as alterações climáticas (riscos globais) ou afetar trabalhadores e contaminar aquíferos e solos localmente (riscos locais).
A implementação deste tipo de soluções implica um aumento da produção de CO2. Isto é derivado da perda de eficiência da central devido ao aumento do consumo energético necessário para as fases de captação, transporte e armazenamento do CO2. Os valores de aumento de consumo de combustível por kWh produzido para instalações existentes que capturem cerca de 90% do CO2 produzido, variam entre os 11 e os 40% (conforme a tecnologia). No entanto estes valores são essencialmente para instalações já existentes. Para instalações de captura piloto, estima-se que a energia térmica adicional por cada tonelada de CO2 capturado ronde os 2 GJ. (representando uma redução na eficiência entre 15-25%) (Projecto CASTOR). Existem duas categorias destes tipos de riscos: Riscos Mundiais: se houver uma fuga considerável num depósito de CO2 esta pode contribuir significativamente para as alterações climáticas. Riscos locais: fugas por falhas nos poços que podem afectarem os trabalhadores locais e as equipas de reparação das fugas, ou fugas por falhas geológicas não detectadas, criando eventual contaminação de aquíferos e acidificação dos solos.
