O ciclo do carbono e os combustíveis fósseis. O Carbono (C) é o quarto elemento mais abundante no Universo, depois do Hidrogênio (H), Hélio (He) e o Oxigênio (O), e é o pilar da vida como a conhecemos.
Existem basicamente duas formas de carbono, uma orgânica, presente nos organismos vivos e mortos, não decompostos, e outra inorgânica, presente nas rochas.
No planeta Terra o carbono circula através dos oceanos, da atmosfera, da terra e do seu interior, num grande ciclo biogeoquímico. Este ciclo pode ser dividido em dois tipos: o ciclo “lento” ou geológico, e o ciclo “rápido” ou biológico.
Ciclo geológico do Carbono
Mais de 99% do carbono terrestre está contido na litosfera, sendo a maioria carbono inorgânico, armazenado em rochas sedimentares como as rochas calcárias. 
O carbono orgânico contido na litosfera está armazenado em depósitos de combustíveis fósseis.
Numa escala geológica, existe um ciclo entre a crosta terrestre (litosfera), os oceanos (hidrosfera) e a atmosfera. O Dióxido de Carbono (CO2) da atmosfera, combinado com a água, forma o ácido carbônico, o qual reage lentamente com o cálcio e com o magnésio da crosta terrestre, formando carbonatos. Através dos processos de erosão (chuva), estes carbonatos são arrastados para os oceanos, onde se acumulam no seu leito em camadas, ou são assimilados por organismos marinhos que eventualmente, depois de morrerem, também se depositam no fundo do mar. Estes sedimentos vão-se acumulando ao longo de milhares de anos, formando rochas sedimentares como as rochas calcárias.
O ciclo continua quando as rochas sedimentares do leito marinho são arrastadas para o manto da Terra, por um processo de subducção (processo pelo qual uma placa tectônica descende por baixo de outra). Desta forma, as rochas sedimentares são sujeitas a grandes pressões e temperaturas debaixo da superfície da Terra, derretendo e reagindo com outros minerais, libertando CO2. O CO2 é devolvido a atmosfera através das erupções vulcânicas e outro tipos de atividades vulcânicas, completando-se assim o ciclo.
Os balanços entre os diversos processos do ciclo do carbono geológico controlaram a concentração de CO2 presente na atmosfera ao longo de centenas de milhares de anos. Os mais antigos sedimentos geológicos, datados de épocas anteriores ao desenvolvimento da vida na Terra, apontam para concentrações de CO2 atmosférico 100 vezes superiores aos atuais, proporcionando um forte efeito de estufa. Por outro lado, medições dos núcleos de gelo retirados na Antártida e na Groenlândia, permitem estimar as concentrações do CO2 que, durante a última era glaciar, eram cerca de metade das atuais (em 2005: 379,1 ppm de CO2), hoje(2013) 400 ppm.
Para o carbono orgânico, com origem na matéria orgânica incompletamente decomposta na ausência de oxigênio, a qual deu origem ao carvão, petróleo e gás natural, qualquer troca significativa entre os diversos depósitos efetua-se também a uma escala geológica. Isto foi correto até há cerca de 200 anos atrás, com o início da Revolução Industrial e a exploração e utilização (combustão) em grande escala dos combustíveis fósseis, ações que passaram a libertar para a atmosfera o carbono destes reservatórios em forma de CO2.
Ciclo Biológico
O ciclo biológico do Carbono é relativamente rápido: estima-se que a renovação do carbono atmosférico ocorre a cada 20 anos.
Na ausência da influência antropogenica (causada pelo homem), no ciclo biológico existem três reservatórios ou “stocks”: terrestre (20.000 Gt), atmosfera (750 Gt), oceanos (40.000 Gt). Este ciclo desempenha um papel importante nos fluxos de carbono entre os diversos stocks, através dos processos da fotossíntese e da respiração.
Através do processo da fotossíntese, as plantas absorvem a energia solar e CO2 da atmosfera, produzindo oxigênio e hidratos de carbono (açucares como a glicose), que servem de base para o crescimento das plantas. Os animais e as plantas utilizam os hidratos de carbono pelo processo de respiração, utilizando a energia contida nos hidratos de carbono e emitindo CO2. Juntamente com a decomposição orgânica (forma de respiração das bactérias e fungos), a respiração devolve o carbono, biologicamente fixado nos stocks terrestres (nos tecidos da biota, na camada de solo e na turfa), para a atmosfera.
É possível verificar que a maior troca entre o stock terrestre e stock atmosférico resulta dos processos da fotossíntese e da respiração. Nos dias de Primavera e Verão as plantas absorvem a luz solar e o CO2 da atmosfera e, paralelamente, os animais, plantas e micróbios, através da respiração devolvem o CO2. Quando a temperatura ou umidade é muito baixa, por exemplo, no Inverno ou em desertos, a fotossíntese e a respiração reduzem-se ou cessa, assim como o fluxo de carbono entre a superfície terrestre e a atmosfera. Devido à declinação da Terra e à desigual distribuição de vegetação dos hemisférios, existe uma flutuação ao longo do ano a qual é visível nos diversos gráficos da variação da concentração anual do CO2, como por exemplo, na curva de Keeling. Em 1958 o cientista Charles David Keeling (oceanógrafo do Scripps Institute of Oceanography),iniciou uma série de experiências no monte Mauna Loa, Havai, que lhe permitiram medir, com bastante precisão, a concentração de CO2 na atmosfera.
Curva de Keeling: Concentrações de CO2 Atmosférico medidas em Mauna Loa, Havai Mauna Loa Observatory. Apesar do stock atmosférico de carbono ser o menor dos três (com cerca de 750 Gt de carbono), este stock determina a concentração de CO2 na atmosfera, cuja concentração pode influenciar o clima terrestre. Ainda mais, os fluxos anuais entre o stock atmosférico e os outros dois stocks (oceanos e terrestre) são cerca de um quarto da dimensão do stock atmosférico, o que representa uma grande sensibilidade às mudanças nos fluxos.
Os oceanos representam o maior stock dos três, cinquenta vezes maior que o stock atmosférico. Existem transferências entre estes dois stocks através de processos químicos que estabelecem um equilíbrio entre as camadas superficiais dos oceanos e as concentrações no ar acima da superfície. A quantidade de CO2 que o oceano absorve depende da temperatura do mesmo e da concentração já presente. Temperaturas baixas da superfície do oceano potenciam uma maior absorção do CO2 atmosférico, enquanto temperaturas mais quentes podem causar a emissão de CO2.
Os fluxos, sem interferências antropogénicas, são aproximadamente equivalentes, variando lentamente, i.e., a uma escala geológica. As diferenças, do ciclo rápido, são também explicadas pelos processos de fotossíntese e respiração: a vida nos oceanos consome grandes quantidades de CO2, no entanto o ciclo entre a fotossíntese e a respiração desenvolve-se muito rapidamente. O fitoplâncton é consumido pelo zooplâncton em apenas alguns dias, e apenas pequenas quantidades de carbono são acumuladas no fundo do mar, quando as conchas do zooplâncton, compostas por carbonato de cálcio (CaCO3), se depositam no fundo, após a sua morte. Depois de um longo período de tempo, este efeito representa uma significativa remoção de carbono da atmosfera.
Outro processo intermédio do ciclo biológico, o qual representa remoção de carbono da atmosfera, ocorre quando a fotossíntese excede a respiração e, lentamente, a matéria orgânica forma depósitos sedimentares que, na ausência de oxigênio e ao longo de milhões de anos, se transformam em combustíveis fósseis.
Os incêndios (naturais) são um outro elemento do ciclo rápido que adicionam CO2 para a atmosfera ao consumir a biomassa e matéria orgânica e ao provocar a morte de plantas que acabam por se decompor e formar também CO2.
Influências Humanas
O armazenamento de carbono em depósitos fósseis supõe, na prática, uma diminuição dos níveis atmosféricos de dióxido de carbono. Estes depósitos estão estimados entre 4.000 e 10.000 Gt, e não figuram no ciclo rápido do carbono. No entanto as atividades antropogénicas (humanas), principalmente a queima de combustíveis fósseis e a desflorestação, têm vindo a incorporar fluxos de carbono novos no ciclo biológico provenientes destes depósitos, com significativa influência no ciclo global do carbono.
Estas atividades transferem mais CO2 para a atmosfera do que aquela que é possível remover naturalmente através da sedimentação do carbono, causando assim um aumento das concentrações atmosféricas de CO2 num curto período de tempo (centenas de anos). Esta influência humana, iniciada principalmente há 200 anos, quando a concentração de CO2 atmosférico se nos situava 280 ppm (0,028% da composição global da atmosfera), provocou, um aumento significativo da concentração de CO2, tendo atualmente ultrapassado os 400 ppm (Um terço a mais 30% em apenas 200 anos).
Estes valores situam a concentração presente como a mais elevada dos últimos 3 milhões de anos, portanto antes das glaciações atuais.
Nem todo o CO2 emitido fica retido na atmosfera. A taxa anual de emissões antropogenicas durante a década de 90 situou-se, em média, nos 6,3 Gt. No entanto, no mesmo período, a concentração de CO2 atmosférico aumentou, em média, 3,2 Gt por ano. Isto deve-se, em parte, ao aumento da difusão do CO2 nos oceanos, que passaram a absorver cerca de 1,7 Gt por ano dos 6,3 Gt emitidos. As restantes 1,4 Gt por ano estima-se que estejam relacionadas com processos na superfície da terra. Esta última parcela tem duas componentes: a alteração da utilização dos solos, principalmente desflorestamento, que reduz a taxa de absorção de CO2 dos solos e outra parcela, ainda em estudo, que pode ter diferentes origens, entre as quais o aumento da taxa de absorção das plantas correspondente a um aumento da concentração atmosférica de CO2. Outro cenário possível é o recrescimento das florestas no Hemisfério Norte (em especial da floresta Boreal), que sofreu desflorestamento no século passado. No entanto para esta parcela ainda está por determinar concretamente, sendo necessária investigação científica para obter novos dados que expliquem melhor este fenômeno. Mesmo o ciclo global de carbono é composto por diversas variáveis, as quais continuam a ser estudadas de forma a poder obter mais precisão nos modelos que determinam as influências antropogenicas neste ciclo.
Variação de temperatura na Terra de 1860 até 2004. Apesar das incertezas, pode ser obtida uma conclusão importante e quantificável: as atividades humanas influenciam o ciclo global do carbono. Ao retirar carbono armazenado nos depósitos de combustíveis fósseis a uma taxa muito superior à da absorção do carbono pelo ciclo, as atividades humanas estão a potenciar o aumento das concentrações de CO2 na atmosfera e, muito provavelmente, influenciando o sistema climático global.
Segundo o Painel Intergovernamental para as Alterações Climáticas das Nações Unidas (IPCC), existem diversos cenários de aumento da temperatura do ar da superfície terrestre até o final deste século, em relação 1990-1999, apontando para um cenário baixo de 1,8ºC e um cenário alto de 4,0ºC.
Outra conclusão significativa que pode ser retirada da análise do ciclo global do carbono é a do elevado potencial de algumas florestas para capturarem o carbono atmosférico, tanto no manto vegetal como na matéria orgânica do solo, o que aumenta a importância da manutenção de ecossistemas com grandes quantidades de biomassa e solos estáveis, com os objetivos de certas florestas se tornarem sumidouros de carbono a médio/longo prazo e outras não se tornarem "fontes" de carbono.
As consequências da queima dos combustíveis fósseis como mudanças climáticas, efeito estufa e desertificação foram objeto de um convênio aprovado em Nova York em 9 de maio de 1992 , e subscrito no Rio de Janeiro, por diversos países, na data de 11 de Junho de 1992, durante a Conferência das Nações Unidas para o Meio Ambiente e o Desenvolvimento) e que culminou no Protocolo de Quioto.
Captura do Carbono
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 antropogenicas de CO2 tem vindo a ser absorvidas pela atmosfera, pelos oceanos e pelas florestas e outras espécies vegetais. O aumento do CO2 na atmosfera trás como consequência a 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).
Numa visão de Sustentabilidade Forte, através de estratégias de reflorestamento seria possível diminuir as atuais concentrações de CO2 na atmosfera, que já ultrapassaram os 370 ppm, até níveis pré-Revolução Industrial, i.e., perto dos 400 ppm . No entanto, mesmo maximizando a atividade de reflorestamento nos próximos 50 anos, apenas seria possível reduzir cerca de 15-30 ppm (IPCC 2000). Desta forma a redução das concentrações de CO2 atmosférico devem ser complementada também por um serviço de capital humano: sistemas de captura e armazenamento de CO2 (CCAC). Este tipo de serviços podem ser considerados como uma solução de sustentabilidade forte, quando estiverem a anular efeitos de emissões de CO2 de todos os sectores antropogênicos, menos da “mudança da uso dos solos”,. Só no caso de estarem a substituir os efeitos causados pela redução do capital natural (desflorestamento, incêndios, eliminação de prados, etc.), por acção humana é que poderá ser considerado como sustentabilidade fraca.
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 elétrica, mas tem como consequência 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).
» Post-combustão: Consiste na remoção do CO2 depois da queima de combustíveis fósseis, sistema ideal para a aplicação em centrais termoelétricas. Esta tecnologia é o primeiro passo para a captura de CO2 a grande escala, sendo já economicamente viável em alguns casos específicos.
Normalmente, estes sistemas utilizam um solvente líquido para captar a pequena fração de CO2 (entre 3 e 15% do volume) presente nos gases de combustão, cujo componente principal é o Nitrogênio. Numa central elétrica moderna de pulverização de carvão ou de ciclo combinado de Gás Natural, os sistemas de captação utilizariam geralmente um solvente orgânico como a mono-etanolamina. Esse processo é designado como "lavagem". A solução química resultante é, mais tarde, aquecida e a pressão reduzida, liberando CO2 concentrado, o qual será posteriormente armazenado.
» Pré-combustão: Consiste em retirar o CO2 dos combustíveis antes da queima. Esta tecnologia já é aplicada de forma generalizando na fabricação de fertilizantes e na produção de hidrogênio (H2). Apesar do processo inicial de retirar o carbono antes da combustão ser mais complexo e caro, as concentrações mais altas de CO2 e a pressão mais elevada facilitam a separação.
No caso do gás natural, essencialmente metano (CH4), se extrairmos o carbono antes da combustão, ficaremos com hidrogênio, que produz apenas água quando queimado. Isto envolve reagir o combustível com oxigênio e/ou vapor para produzir monóxido de carbono (CO) e H2. Em seguida, o CO reage com mais vapor, para produzir CO2 e mais hidrogênio. Finalmente, o CO2 é separado e o hidrogênio é usado como combustível, emitindo só Nitrogênio e água.
» Oxigénio-gás: Estes sistemas utilizam o oxigênio em vez do ar, que é maioritariamente composto por Nitrogênio (78%), para a combustão do combustível primário, com o objetivo de produzir um gás de combustão composto principalmente por água e CO2. Isto dá origem a um gás de combustão com altas concentrações de CO2 (superior a 80% do volume) uma vez que não existe Nitrogênio neste processo. Posteriormente, o vapor de água é retirado por arrefecimento e aumento da pressão. Este processo requer uma separação prévia do oxigênio do ar, para obter um gás com uma pureza de 95 a 99%.
O desafio é como separar o oxigênio do resto do ar. As estratégias são semelhantes às usadas para separar CO2. O ar pode ser arrefecido, para que o oxigênio se liquefaça. Membranas onde passa oxigênio e nitrogênio a diferentes taxas podem provocar a separação. Há também, materiais que absorvem o nitrogênio, separando-o, do oxigênio.
A aplicação destes sistemas em caldeiras está atualmente em fase de demonstração e a sua aplicação em sistemas de turbinas à gás ainda estão em fase de investigação.
Armazenamento (sequestro)
Armazenamento geológico: O armazenamento geológico consiste na injeção, após captura do CO2, na sua forma condensada numa formação rochosa subterrânea.
As principais opções são:
» Jazidas de petróleo e gás: as formações rochosas que retêm ou que já retiveram fluidos (como as jazidas de petróleo e gás) são candidatos potenciais para o armazenamento. A injeção de CO2 nas formações geológicas profundas integra muitas das tecnologias desenvolvidas na indústria de prospecção de petróleo e gás, pelo que a tecnologia de injeção, simulação, controlo e vigilância do armazenamento existe e continua a ser aperfeiçoada.
» Formações salinas: à semelhança das jazidas de petróleo e gás é possível também injetar CO2 em jazidas salmoura.
» Camadas de carvão inexploradas: é possível a injeção em camadas de carvão que não venham a ser exploradas, dependendo sempre da sua permeabilidade. Estes mecanismos ainda estão em fase de demonstração.
» Armazenamento oceânico: O armazenamento oceânico pode ser realizado de duas formas:
Através da injeção e dissolução do CO2 no oceano (a profundidade de mais de 1000 metros), através de gasodutos fixos ou de navios.
A outra opção passa pela deposição do CO2 no fundo do oceano através de um gasoduto fixo ou de uma plataforma marítima (a mais de 3000 metros de profundidade), onde a água é mais densa e se espera que o CO2 forme um lago.
O armazenamento oceânico e o seu impacto ecológico estão por analisar, podendo existir problemas de acidificação dos oceanos, sendo uma das alternativas possíveis mas que levanta ainda muitas questões técnicas e de viabilidade ambiental.
Carbonatação mineral e utilizações industriais
Carbonatação mineral: a reação do CO2 com óxidos metálicos, que abundam em minerais silicatos (como o óxido de magnésio (MgO) ou óxido de cálcio (CaO)) ou de detritos industriais (como escoria e cinzas de aço inoxidável), produz através de reações químicas carbonatos inorgânicos estáveis. A reação natural é muito lenta é deverá ser melhorada através de tratamentos prévios dos minerais, que são altamente intensivos em energia. Esta tecnologia está em fase de investigação, mas em certas aplicações, como a dos detritos industriais, já se encontra em fase de demonstração.
» Utilizações industriais: esta opção consiste no consumo de CO2 de forma direta como matéria-prima para a produção de diversas substâncias químicas que contêm carbono. No entanto, devido a baixa taxa de retenção da maior parte dos produtos e a inexistência de dados que permitam concluir se o balanço final de muitas aplicações industrias é negativo ou positivo, este mecanismo encontra-se em fase de estudo e prevê-se que a sua contribuição não seja muito elevada.
Consumo energético e impactos ambientais dos CAC
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%) (Projeto CASTOR).
Riscos ambientais e humanos no armazenamento.
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 afetarem 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.
Para o caso do armazenamento oceânico, o risco apresenta-se bastante mais elevado, tendo em conta a falta de informação disponível quanto aos efeitos do aumento da concentração de CO2 (acidificação) nos ecossistemas marítimos.
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