Combustível neutro em carbono é o combustível que não produz emissões líquidas de gases de efeito estufa ou pegada de carbono. Na prática, isso geralmente significa combustíveis que são feitos usando dióxido de carbono (CO2) como matéria-prima. Combustíveis neutros em carbono podem ser agrupados em combustíveis sintéticos, que são feitos pela hidrogenação química do dióxido de carbono, e biocombustíveis, que são produzidos usando processos naturais que consomem CO2, como a fotossíntese.
O dióxido de carbono usado para fazer combustíveis sintéticos pode ser captado diretamente do ar, reciclado dos gases de combustão e exaustão das usinas de energia ou derivado do ácido carbônico na água do mar. Exemplos comuns de combustíveis sintéticos incluem amônia e metano, embora hidrocarbonetos mais complexos, como gasolina e combustível de aviação também tenham sido sintetizados artificialmente com sucesso. Além de serem neutros em carbono, esses combustíveis renováveis podem aliviar os custos e os problemas de dependência de combustíveis fósseis importados sem exigir eletrificação da frota de veículos ou conversão para hidrogênio e outros combustíveis, permitindo veículos compatíveis e acessíveis. Para ser verdadeiramente neutra em carbono, qualquer energia necessária para o processo deve ser livre de emissões, como as energias renováveis ou a energia nuclear.
Se a combustão dos combustíveis neutros em carbono estiver sujeita à captura de carbono na chaminé, resultará em emissão negativa de dióxido de carbono e, portanto, poderá constituir uma forma de remediação de gases do efeito estufa. As emissões negativas são amplamente consideradas um componente indispensável dos esforços para limitar o aquecimento global, embora as tecnologias de emissões negativas atualmente não sejam economicamente viáveis para empresas do setor privado. É provável que os créditos de carbono desempenhem um papel importante para os combustíveis carbono-negativos.
Produção de hidrocarbonetos sintéticos
Hidrocarbonetos sintéticos podem ser produzidos em reações químicas entre dióxido de carbono, que pode ser captado de usinas de energia ou do ar, e hidrogênio. O combustível, muitas vezes referido como eletrocombustível, armazena a energia que foi usada na produção do hidrogênio.
O combustível de hidrogênio é tipicamente formado após a eletrólise da água em um processo de potência a gás. Para minimizar as emissões, a eletricidade é produzida usando uma fonte de energia de baixa emissão, como energia eólica, solar ou nuclear.
Através da reação de Sabatier, o metano pode ser produzido, podendo ser armazenado a fim de ser queimado posteriormente em usinas que usam gás natural sintético, transportado por gasoduto, caminhão ou navio-tanque, ou ser usado em processos de gás para líquidos, como o Processo de Fischer–Tropsch para produzir combustíveis tradicionais para transporte ou aquecimento.
Existem mais alguns combustíveis que podem ser criados usando hidrogênio. O ácido fórmico, por exemplo, pode ser feito por reação do hidrogênio com CO2. Isso produz isobutanol.
O metanol pode ser feito a partir de uma reação química envolvendo uma molécula de dióxido de carbono com três moléculas de hidrogênio para produzir metanol e água. A energia armazenada pode ser recuperada queimando o metanol, liberando dióxido de carbono, água e calor. O metano pode ser produzido em uma reação semelhante. Precauções especiais contra vazamentos de metano são importantes, pois o metano é quase 100 vezes mais potente que o CO2, considerando o potencial de aquecimento global de 20 anos. Mais energia pode ser usada para combinar metanol ou metano em moléculas maiores de combustível de hidrocarboneto.
Os pesquisadores também sugeriram o uso de metanol para produzir éter dimetílico. Este combustível pode ser usado como substituto do diesel devido à sua capacidade de auto-inflamação sob alta pressão e temperatura. Já está sendo usado em algumas áreas para aquecimento e geração de energia. Não é tóxico, mas deve ser armazenado sob pressão. Hidrocarbonetos maiores e etanol também podem ser produzidos a partir de dióxido de carbono e hidrogênio.
Todos os hidrocarbonetos sintéticos são geralmente produzidos em temperaturas de 200 a 300 °C, e a pressões de 20 a 50 bar. Catalisadores são geralmente usados para melhorar a eficiência da reação e criar o tipo desejado de combustível de hidrocarboneto. Tais reações são exotérmicas e usam cerca de 3 mol de hidrogênio por mol de dióxido de carbono envolvido. Eles também produzem grandes quantidades de água como subproduto.
Fontes de carbono e reciclagem
A fonte mais econômica de carbono para reciclagem em combustível são as emissões de gases de combustão dos combustíveis fósseis, onde pode ser obtido por cerca de 7,50 dólares por tonelada. No entanto, não são neutros em carbono, pois o carbono é de origem fóssil, transportando o carbono da geosfera para a atmosfera. Como o ácido carbônico na água do mar está em equilíbrio químico com o dióxido de carbono atmosférico, a extração de carbono da água do mar tem sido estudada. Pesquisadores estimaram que a extração de carbono da água do mar custaria cerca de cinquenta dólares por tonelada. A captação de carbono do ar ambiente é mais cara, entre 94 e 232 dólares por tonelada e é considerada impraticável para síntese de combustível ou sequestro de carbono. A captação direta é menos desenvolvida do que outros métodos. As propostas para este método envolvem o uso de um produto químico cáustico para reagir com o dióxido de carbono no ar para produzir carbonatos. Estes podem então ser decompostos e hidratados para liberar CO2 puro e regenerar o produto químico cáustico. Este processo requer mais energia do que outros métodos porque o dióxido de carbono está em concentrações muito mais baixas na atmosfera do que em outras fontes.
Os pesquisadores também sugeriram o uso da biomassa como fonte de carbono para a produção de combustível. A adição de hidrogênio à biomassa reduziria seu carbono para produzir combustível. Este método tem a vantagem de usar matéria vegetal para capturar dióxido de carbono de forma barata. As plantas também adicionam alguma energia química ao combustível a partir de moléculas biológicas. Este pode ser um uso mais eficiente da biomassa do que o biocombustível convencional pois usa a maior parte do carbono e da energia química da biomassa em vez de liberar tanta energia e carbono. Sua principal desvantagem é que, assim como na produção convencional de etanol, faz concorrência com a produção de alimentos.
Custos da energia renovável e nuclear
A energia eólica noturna é considerada a forma mais econômica de energia elétrica para sintetizar combustível, porque o perfil de carga [en] da eletricidade atinge um pico acentuado durante as horas mais quentes do dia, mas o vento tende a soprar um pouco mais à noite do que durante o dia. Portanto, o preço da energia eólica noturna costuma ser muito mais barato do que qualquer outra alternativa. Os preços da energia eólica fora do horário de pico em áreas de alta penetração de vento nos EUA foram em média de 1,64 centavos por quilowatt-hora em 2009, mas apenas 0,71 centavos/kWh durante as seis horas mais baratas do dia. Normalmente, a eletricidade no atacado custa de 2 a 5 centavos/kWh durante o dia. As empresas de síntese de combustível sugerem que podem produzir gasolina com menos custo do que os combustíveis derivados do petróleo quando este custa mais de US$ 55 por barril.
Em 2010, uma equipe de químicos de processo liderada por Heather Willauer, da Marinha dos EUA, estima que 100 megawatts de eletricidade podem produzir 160 metros cúbicos de combustível de aviação por dia e a produção de energia nuclear no navio custaria cerca de 1,600 dólares por metro cúbico. Além disso, a entrega de combustível a um grupo de batalha de porta-aviões custa cerca de 2,100 dólares por métro cúbico, a produção a bordo já é muito mais barata.
Willauer diz que a água do mar é a "melhor opção" para uma fonte de combustível sintético para aviação. Em abril de 2014, a equipe de Willauer ainda não havia produzido combustível no padrão exigido pelos jatos militares, mas eles conseguiram em setembro de 2013 usar o combustível para pilotar um modelo de avião controlado por rádio movido por um motor comum de dois cilindros. Como o processo requer uma grande quantidade de energia elétrica, um primeiro passo plausível de implementação seria que os porta-aviões americanos movidos a energia nuclear (classe Nimitz e Gerald R. Ford) fabricassem seu próprio combustível de aviação. Espera-se que a Marinha dos EUA implante a tecnologia em algum momento da década de 2020.
Projetos de demonstração e desenvolvimento comercial
Uma planta de síntese de metano de 250 quilowatts foi construída pelo Center for Solar Energy and Hydrogen Research (ZSW) em Baden-Württemberg e pela Fraunhofer Society na Alemanha e começou a operar em 2010. Ele está sendo atualizado para 10 megawatts, com conclusão prevista para o outono de 2012.
A usina de reciclagem de dióxido de carbono George Olah operada pela Carbon Recycling International em Grindavík, Islândia, produz 2 milhões de litros de combustível metanol por ano a partir da exaustão da chaminé da Central Elétrica de Svartsengi desde 2011. Tem capacidade para produzir 5 milhões de litros por ano.
A Audi construiu uma planta de gás natural liquefeito (GNL) neutra em carbono em Werlte, Alemanha. A planta destina-se a produzir combustível de transporte para compensar o GNL usado em seus automóveis A3 Sportback g-tron e pode manter 2.800 toneladas métricas de CO2 fora do ambiente por ano em sua capacidade inicial.
A Tesla implementou um veículo de emissões zero no qual canaliza a energia solar para baterias. As baterias da Tesla são então usadas para carregar seus veículos. Em 2020, a Tesla reutilizou cerca de 92% dos metais brutos na fabricação de suas baterias.