Descarbonização da indústria química com fótons sustentáveis

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Descarbonização da indústria química com fótons
sustentáveis
A descarbonização da indústria química é possível, desde que diminuições no custo da energia solar e o
aumento da eficiência do LED continue.
Centenas de milhões de toneladas de produtos químicos e combustíveis são produzidos anualmente a
partir de matérias-primas fósseis legadas usando catálise termogênea em fase de gás – a reação entre
reagentes gasosos e a superfície de um sólido para criar um produto, alimentado por calor combustivo.
Embora haja um movimento para usar eletricidade renovável para conduzir esses processos em larga
escala, por que não levá-los por fotocatálise heterogênea usando a energia abundante do sol?
Na busca pela industrialização da fotocatálise como um caminho para descarbonizar as indústrias
químicas e petroquímicas dependentes de fósseis, a pesquisa e o desenvolvimento no campo poderiam
tender em quatro direções principais: (i) estratégias de engenharia de materiais e novos projetos de
reatores para maior eficiência de fotocatálise heterogênea, (ii) modelagem computacional de estratégias
de projeto para o estudo do transporte de luz em processos fotocatalíticos, (iii) táticas para operar
reatores fotocatalíticos 24-7 para superar os critérios de produtividade solar.
https://www.advancedsciencenews.com/gravity-energy-storage-elevated-to-new-heights/
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Utilizando fótons gerados de forma sustentável como energia de processo para impulsionar a
produção química de commodities. Reimpresso com permissão Direitos Autorais ? 2022
American Chemical Society
Embora existam fotocatalisadores de fase aquosa para purificação de água hoje, nenhum processo
fotocatalítico heterogêneo de fase gasosa – especialmente aqueles que usam CO 2 como matéria-prima
– foi implementado em uma escala industrialmente significativa. A razão é simples: baixa eficiência
quântica e de transporte de luz.
Isso ocorre porque maximizar a captura de fótons incidentes que entram em um fotorreator para excitar
um fotocatálmico e permitir uma conversão química, minimizando as perdas de luz é científica e
tecnicamente muito desafiador. O sucesso neste esforço requer uma combinação de design sofisticado
de opto-química, modelagem, engenharia e testes de materiais e reatores.
Em última análise, a industrialização da fotocatálise heterogênea dependerá não apenas da eficiência
dos materiais e reatores, mas também do custo dos fótons para produzir produtos químicos, operando
idealmente 24 horas por dia. O requisito de operação contínua para um processo fotocatalítico é evitar
as instabilidades de desligar o processo quando o sol se põe, bem como as flutuações na irradiância da
interferência da nuvem.
O custo de descarbonização da indústria química
O custo nivelado da eletricidade solar gerada pela energia fotovoltaica, definida como o preço mínimo de
venda para equilibrar a vida útil da instalação, foi relatado pelo Laboratório Nacional de Energia
Renovável ter caído desde 2015 de US $ 0,094 / kWh para US $ 0,038 / kWh em 2019, com uma
projeção de 2050 de US $ 0,016 / kWh.
Concomitante a tendência está a crescente eficiência projetada de diodos emissores de luz (LEDs)
alimentados por eletricidade solar decrescentemente cara. Esses LEDs fornecem comprimentos de onda
https://www.advancedsciencenews.com/calf-20-a-carbon-capture-success-story/
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que abrangem as faixas ultravioleta e visível do espectro solar e oferecem intensidades que podem ser
ajustadas de um único a centenas de sóis.
Essas tendências complementares permitiram uma comparação entre o custo de uma mol de fótons e
uma toupeira de produto químico (onde uma toupeira é uma unidade padrão de quantidade, definida
usando o número de Avogadro: 6,023-2323) de uma entidade elementar - neste caso, fótons e
moléculas, respectivamente - em um processo 24/7 alimentado por diodos emissores de luz.
Os resultados obtidos com esta análise são intrigantes. Não considerando o custo dos LEDs movidos a
energia solar, o custo dos fótons ultravioleta e visível projetados para 2050 pode ser visto rapidamente
abaixo do valor médio de mercado atual para produtos químicos de commodities, como exemplificado
por óxido de etileno, ácido acético, metanol, metano e hidrogênio.
Também é importante notar que processos termocatalíticos heterogêneos se beneficiam de economias
de escala do volume do reator. Da mesma forma, para que os processos fotocatalíticos se tornem
rentáveis, isso exigirá materiais eficientes de captura e conversão de fótons para maximizar a
produtividade de volume do fotorreator. Além disso, a produção de produtos químicos solares beneficia
de condições operacionais menos extremas, facilitando a estabilidade aumentada do catalisador e a
seletividade melhorada, que juntos servem para diminuir os custos das separações do catalisador e do
produto.
As conclusões tiradas deste importante estudo implicam que a descarbonização dos processos químicos
industriais baseados em fósseis é possível usando a eletricidade solar, desde que seus custos
continuem a diminuir. Tudo isso é um bom presságio para processos fotocatalíticos alimentados por
LED, desde que o custo projetado de uma toupeira de fótons caia abaixo do custo de um mol de
produtos químicos de commodities, conforme definido anteriormente, incentivado por impostos sobre o
carbono.
Se o gás de efeito estufa CO 2 puder ser usado como matéria-prima para fazer produtos químicos
solares sustentáveis e combustíveis 24 horas por dia, o futuro da fotocatálise heterogênea de CO 2
brilhará!
Referência: Emily Schroeder e Phillip Christopher, Produção Química Usando Luz: Fotões Sustentáveis
são Baratas?, ACS Energy Lett. (2022) - Reto (em inglês). DOI: 10.1021/acsenergylett.2c00142
Crédito da imagem: Alex Simpson em Unsplash
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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.2c00142
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