A maioria das usinas depende de sistemas à base de solventes que absorvem CO2, mas esses sistemas consomem muito calor, exigem infraestrutura significativa e podem ser caros para operar. Uma alternativa menor, movida a eletricidade, é o sistema de “membrana”: uma membrana funciona como um filtro ultrafino que deixa certos gases passarem mais facilmente do que outros, separando o CO2 do restante dos gases de combustão. O problema é que muitas membranas perdem eficiência quando os níveis de CO2 estão baixos, o que é comum em usinas a gás natural, e isso limita onde podem ser usadas.
Um novo estudo da EPFL (École polytechnique fédérale de Lausanne) agora analisou como um novo material de membrana, o piridínico-grafeno, poderia funcionar em larga escala. Trata-se de uma folha de grafeno de camada única com poros minúsculos que favorecem o CO2 em detrimento de outros gases. Os pesquisadores combinaram dados experimentais de desempenho com ferramentas de modelagem que simulam condições reais de operação, como uso de energia e fluxo de gás. Eles também exploraram uma ampla gama de cenários de custo para ver como o material poderia se comportar após ser implantado em plantas comerciais.
O estudo foi liderado por Marina Micari e Kumar Varoon Agrawal, que ocupa a Cátedra Gaznat em Separações Avançadas na EPFL, foi publicado na Nature Sustainability e se baseia nas pesquisas anteriores do grupo no desenvolvimento de membranas de grafeno escaláveis. “À medida que estamos ampliando a tecnologia, é importante entender as implicações na redução do uso de energia e do custo da captura de carbono no diversificado setor da captura de carbono”, disse Agrawal.
A equipe testou diferentes membranas à base de grafeno, incluindo a membrana piridínico-grafeno, sob várias configurações de plantas para comparar como elas se comportariam em condições reais. Para usinas de gás natural, um sistema em três etapas que começa enriquecendo o fluxo de CO2 atingiu custos promissores, aproximadamente USD 80–100 por tonelada, com os melhores casos descendo para USD 60–80. Isso é notável porque as membranas geralmente têm dificuldades com esse tipo de gás de combustão diluído.
Em usinas a carvão, onde os níveis de CO2 são mais altos, a forte seletividade de CO2/N2 da membrana reduz o consumo de energia e eleva os custos para a faixa de USD 25–50 por tonelada. As fábricas de cimento têm mais oxigênio em seus gases de combusto, o que dificulta a seletividade, mas a membrana ainda atinge faixas de custo semelhantes e permanece estável nos diferentes cenários testados. Em todos os três setores, a alta permeância da membrana mantém a área superficial necessária pequena, o que ajuda a reduzir a pegada de um sistema completo de captura.
O estudo mostra que o piridínico-grafeno pode oferecer uma alternativa compacta e potencialmente econômica à captura baseada em solvente uma vez escalado. Também aponta áreas onde o material ainda poderia melhorar, especialmente sua capacidade de distinguir CO2 de oxigênio nos gases de combustão do cimento.
