O ciclo do carbono e os combustíveis fósseis

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O ciclo do carbono e os combustíveis fósseis

  1. 1. O ciclo do carbono e os combustíveis fósseis.O Carbono (C) é o quarto elemento mais abundante noUniverso, 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 atravésdos oceanos, da atmosfera, da terra e do seu interior, num grande ciclo biogeoquímico. Este ciclo podeser dividido em dois tipos: o ciclo “lento” ou geológico, e o ciclo “rápido” ou biológico.Ciclo geológico do CarbonoEste ciclo que opera a uma escala de milhões de anos é integrado a própria estrutura do planeta einiciou-se há cerca de 4,55 milhares de milhões de anos, quando na formação do Sistema Solar e daTerra, tendo origem nos planetesimais (pequenos corpos que se formaram a partir da nebulosa solar) enos meteoritos portadores de carbono que colidiram com a Terra. Nesse sentido, mais de 99% docarbono terrestre está contido na litosfera, sendo a maioria carbono inorgânico, armazenado em rochassedimentares como as rochas calcárias. O carbono orgânico contido na litosfera está armazenado emdepósitos de combustíveis fósseis.Numa escala geológica, existe um ciclo entre a crosta terrestre (litosfera), os oceanos (hidrosfera) e aatmosfera. 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 seacumulam 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 aolongo 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 dasuperfície da Terra, derretendo e reagindo com outros minerais, libertando CO2. O CO2 é devolvido aatmosfera através das erupções vulcânicas e outro tipos de atividades vulcânicas, completando-se assimo ciclo.Os balanços entre os diversos processos do ciclo do carbono geológico controlaram a concentração deCO2 presente na atmosfera ao longo de centenas de milhares de anos. Os mais antigos sedimentosgeológicos, datados de épocas anteriores ao desenvolvimento da vida na Terra, apontam paraconcentrações de CO2 atmosférico 100 vezes superiores aos atuais, proporcionando um forte efeito deestufa. Por outro lado, medições dos núcleos de gelo retirados na Antártida e na Groenlândia, permitemestimar as concentrações do CO2 que, durante a última era glaciar, eram cerca de metade das atuais(em 2005: 379,1 ppmv de CO2).
  2. 2. Para o carbono orgânico, com origem na matéria orgânica incompletamente decomposta na ausência deoxigênio, a qual deu origem ao carvão, petróleo e gás natural, qualquer troca significativa entre osdiversos depósitos efetua-se também a uma escala geológica. Isto foi correto até há cerca de 200 anosatrás, com o início da Revolução Industrial e a exploração e utilização (combustão) em grande escala doscombustíveis fósseis, ações que passaram a libertar para a atmosfera o carbono destes reservatórios emforma de CO2.Ciclo BiológicoO ciclo biológico do Carbono é relativamente rápido: estima-se que a renovação do carbono atmosféricoocorre a cada 20 anos.Na ausência da influência antropogénica (causada pelo homem), no ciclo biológico existem trêsreservatórios ou “stocks”: terrestre (20.000 Gt), atmosfera (750 Gt), oceanos (40.000 Gt). Este ciclodesempenha um papel importante nos fluxos de carbono entre os diversos stocks, através dos processosda 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 ocrescimento das plantas. Os animais e as plantas utilizam os hidratos de carbono pelo processo derespiração, utilizando a energia contida nos hidratos de carbono e emitindo CO2. Juntamente com adecomposição 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 aatmosfera.
  3. 3. As equações químicas que regem estes dois processos são: Fotossíntese: 6CO2 + 6H2O + energia (luz solar) -> C6H12O6 + 6O2 Respiração: C6H12O6 (matéria orgânica) + 6O2 -> 6CO2 + 6 H2O + energiaÉ possível verificar que a maior troca entre o stock terrestre e stock atmosférico resulta dos processos dafotossíntese e da respiração. Nos dias de Primavera e Verão as plantas absorvem a luz solar e o CO2 daatmosfera 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 fotossíntesee a respiração reduz-se ou cessa, assim como o fluxo de carbono entre a superfície terrestre e aatmosfera. Devido à declinação da Terra e à desigual distribuição de vegetação dos hemisférios, existeuma flutuação ao longo do ano a qual é visível nos diversos gráficos da variação da concentração anualdo CO2, como por exemplo na curva de Keeling. Em 1958 o cientista Charles David Keeling (oceanógrafodo Scripps Institute of Oceanography),iniciou uma série de experiências no monte Mauna Loa, Havai, quelhe permitiram medir, com bastante precisão, a concentração de CO2 na atmosfera.Curva de Keeling: Concentrações de CO2 Atmosférico medidas em Mauna Loa, Havai Mauna LoaObservatory. Apesar do stock atmosférico de carbono ser o menor dos três (com cerca de 750 Gt decarbono), este stock determina a concentração de CO2 na atmosfera, cuja concentração pode influenciaro clima terrestre. Ainda mais, os fluxos anuais entre o stock atmosférico e os outros dois stocks (oceanose terrestre) são cerca de um quarto da dimensão do stock atmosférico, o que representa uma grandesensibilidade às mudanças nos fluxos.Os oceanos representam o maior stock dos três, cinqüenta vezes maior que o stock atmosférico. Existemtransferências entre estes dois stocks através de processos químicos que estabelecem um equilíbrioentre as camadas superficiais dos oceanos e as concentrações no ar acima da superfície. A quantidadede 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 defotossíntese e respiração: a vida nos oceanos consome grandes quantidades de CO2, no entanto o cicloentre a fotossíntese e a respiração desenvolve-se muito rapidamente. O fitoplâncton é consumido pelozooplâncton em apenas alguns dias, e apenas pequenas quantidades de carbono são acumuladas nofundo do mar, quando as conchas do zooplâncton, compostas por carbonato de cálcio (CaCO3), sedepositam no fundo, após a sua morte. Depois de um longo período de tempo, este efeito representa umasignificativa remoção de carbono da atmosfera.Outro processo intermédio do ciclo biológico, o qual representa remoção de carbono da atmosfera, ocorrequando a fotossíntese excede a respiração e, lentamente, a matéria orgânica forma depósitossedimentares que, na ausência de oxigênio e ao longo de milhões de anos, se transformam emcombustíveis fósseis.Os incêndios (naturais) são um outro elemento do ciclo rápido que adicionam CO2 para a atmosfera aoconsumir a biomassa e matéria orgânica e ao provocar a morte de plantas que acabam por se decompore formar também CO2.Influências HumanasO armazenamento de carbono em depósitos fósseis supõe, na prática, uma diminuição dos níveisatmosféricos de dióxido de carbono. Estes depósitos estão estimados entre 4.000 e 10.000 Gt, e nãofiguram no ciclo rápido do carbono. No entanto as atividades antropogénicas (humanas), principalmente aqueima de combustíveis fósseis e a desflorestação, têm vindo a incorporar fluxos de carbono novos nociclo 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 removernaturalmente através da sedimentação do carbono, causando assim um aumento das concentrações
  4. 4. atmosféricas de CO2 num curto período de tempo (centenas de anos). Esta influência humana, iniciadaprincipalmente há 200 anos, quando a concentração de CO2 atmosférico se situava nos 280 ppmv(0,028% da composição global da atmosfera), provocou, um aumento significativo da concentração deCO2, tendo atualmente ultrapassado os 380 ppmv (mais de 30% em apenas 200 anos).Estes valores situam a concentração presente como a mais elevada dos últimos 650.000 anos e talvezsuperior à registrada há 20 milhões de anos atrás.Nem todo o CO2 emitido antropogenicamente ficaretido na atmosfera. A taxa anual de emissões antropogénicas durante a década de 90 situou-se, emmédia, nos 6,3 Gt. No entanto, no mesmo período, a concentração de CO2 atmosférico aumentou, emmédia, 3,2 Gt por ano. Isto deve-se, em parte, ao aumento da difusão do CO2 nos oceanos, quepassaram a absorver cerca de 1,7 Gt por ano dos 6,3 Gt emitidos. As restantes 1,4 Gt por ano estimam-se que estejam relacionadas com processos na superfície da terra. Esta última parcela tem duascomponentes: a alteração da utilização dos solos, principalmente desflorestação, que reduz a taxa deabsorção de CO2 dos solos e outra parcela, ainda em estudo, que pode ter diferentes origens, entre asquais o aumento da taxa de absorção das plantas correspondente a um aumento da concentraçãoatmosférica de CO2. Outro cenário possível é o recrescimento das florestas no Hemisfério Norte (emespecial da floresta Boreal), que sofreu desflorestação no século passado. No entanto para esta parcelaainda está por determinar concretamente, sendo necessária investigação científica para obter novosdados que expliquem melhor este fenómeno. Mesmo o ciclo global de carbono é composto por diversasvariáveis, as quais continuam a ser estudadas de forma a poder obter mais precisão nos modelos quedeterminam as influências antropogénicas neste ciclo.Variação de temperatura na Terra de 1860 até2004Apesar das incertezas, pode ser obtida uma conclusão importante e quantificável: as atividadeshumanas influenciam o ciclo global do carbono. Ao retirar carbono armazenado nos depósitos decombustíveis fósseis a uma taxa muito superior à da absorção do carbono pelo ciclo, as atividadeshumanas 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), existemdiversos cenários de aumento da temperatura do ar da superfície terrestre até 2090-2099, em relação1990-1999, apontando para um cenário baixo de 1,8ºC e um cenário alto de 4,0ºC.Uma outra conclusão significativa que pode ser retirada da análise do ciclo global do carbono é a doelevado potencial de algumas florestas para capturarem o carbono atmosférico, tanto no manto vegetalcomo na matéria orgânica do solo, o que aumenta a importância da manutenção de ecossistemas comgrandes quantidades de biomassa e solos estáveis, com os objetivos de certas florestas se tornaremsumidouros de carbono a médio/longo prazo e outras não se tornarem "fontes" de carbono.As conseqüências da queima dos combustíveis fósseis como mudanças climáticas, efeito estufa edesertificação foram objeto de um convênio aprovado em Nova York em 9 de maio de 1992 , e subscritono Rio de Janeiro, por diversos países, na data de 11 de Junho de 1992, durante a Conferência dasNações Unidas para o Meio Ambiente e o Desenvolvimento) e que culminou no Protocolo de Quioto.Captura do CarbonoCapital NaturalUm dos serviços mais importantes do ecossistema, relacionado com o ciclo do Carbono, é a captura doCO2 por diferentes elementos que compõe a Biosfera. O aumento das emissões antropogénicas de CO2tem vindo a ser absorvidas pela atmosfera, pelos oceanos e pelas florestas e outras espécies vegetais. Oaumento do CO2 na atmosfera trás como conseqüência a o aumento do efeito de estufa, originando asalterações climáticas. Com o aumento do CO2 atmosférico, também aumenta a absorção dos oceanostendo como conseqüência a acidificação dos oceanos, e eventuais efeitos nos ecossistemas marítimos(corais, peixes, etc.). A última parcela é absorvida pelas florestas (biomassa), as quais podem serutilizadas como sumidouro de carbono (através da fotossíntese).Numa visão de Sustentabilidade Forte, através de estratégias de reflorestação seria possível diminuir asatuais concentrações de CO2 na atmosfera, que já ultrapassaram os 370 ppmv, até níveis pré-RevoluçãoIndustrial, i.e., perto dos 280 ppmv . No entanto, mesmo maximizando a atividade de reflorestamento nos
  5. 5. próximos 50 anos, apenas seria possível reduzir cerca de 15-30 ppm (IPCC 2000). Desta forma aredução das concentrações de CO2 atmosférico devem ser complementada também por um serviço decapital humano: sistemas de captura e armazenamento de CO2 (CCAC). Este tipo de serviços podem serconsiderados como uma solução de sustentabilidade forte, quando estiverem a anular efeitos deemissões de CO2 de todos os sectores antropogénicos, menos da “mudança da uso dos solos”,. Só nocaso de estarem a substituir os efeitos causados pela redução do capital natural (desflorestação,incêndios, eliminação de prados, etc.), por acção humana é que poderá ser considerado comosustentabilidade fraca.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 dearmazenamento e no seu seqüestro a longo prazo. As centrais elétricas e outros processos industriais degrande escala são os principais candidatos para este sistema. Atualmente não existe uma soluçãotecnológica única para este tipo de sistemas, estando prevista uma carteira de opções tecnológicas quese adaptarão dependendo das situações.A tecnologia atual permitiria capturar entre 80-90% do CO2 produzido numa central elétrica, mas temcomo conseqüência um aumento da produção de CO2 devido à redução da eficiência (existe umaumento da energia necessária, entre 10 a 40%, para poder implementar o processo de CAC).O processo de CAC é constituído pelas seguintes fases:»Captura»Transporte»Armazenamento (Seqüestro)CapturaExistem três tecnologias principais de captura:» Post-combustão: Consiste na remoção do CO2 depois da queima de combustíveis fósseis, sistemaideal para a aplicação em centrais termoelétricas. Esta tecnologia é o primeiro passo para a captura deCO2 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 3e 15% do volume) presente nos gases de combustão, cujo componente principal é o Nitrogênio. Numacentral elétrica moderna de pulverização de carvão ou de ciclo combinado de Gás Natural, os sistemas decaptação utilizariam geralmente um solvente orgânico como a monoetanolamina. Esse processo édesignado 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 éaplicada de forma generalizando na fabricação de fertilizantes e na produção de hidrogênio (H2). Apesardo processo inicial de retirar o carbono antes da combustão ser mais complexo e caro, as concentraçõesmais 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 combustívelcom oxigênio e/ou vapor para produzir monóxido de carbono (CO) e H2. Em seguida, o CO reage commais vapor, para produzir CO2 e mais hidrogênio. Finalmente, o CO2 é separado e o hidrogênio é usadocomo combustível, emitindo só Nitrogênio e água.
  6. 6. » Oxigénio-gás: Estes sistemas utilizam o oxigênio em vez do ar, que é maioritariamente composto porNitrogênio (78%), para a combustão do combustível primário, com o objetivo de produzir um gás decombustão composto principalmente por água e CO2. Isto dá origem a um gás de combustão com altasconcentrações 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 processorequer uma separação prévia do oxigênio do ar, para obter um gás com uma pureza de 95 a 99%. Odesafio é como separar o oxigênio do resto do ar. As estratégias são semelhantes às usadas paraseparar CO2. O ar pode ser arrefecido, para que o oxigênio se liquefaça. Membranas onde passaoxigênio e nitrogênio a diferentes taxas podem provocar a separação. Há também, materiais queabsorvem o nitrogênio, separando-o, do oxigênio.A aplicação destes sistemas em caldeiras está atualmente em fase de demonstração e a sua aplicaçãoem sistemas de turbinas à gás ainda estão em fase de investigação.TransportePara o transporte do CO2 capturado, entre o local de captura e o de armazenamento, apresenta-seatualmente uma tecnologia bastante desenvolvida e testada: os gasodutos. Em geral, o CO2 gasoso écomprimido a uma pressão superior aos 8 MPa, como o objetivo de evitar regimes de fluxo de duas fasese aumentar a densidade, reduzindo assim custos de transporte.Em alguns casos o CO2 também poderá ser transportado em forma líquida em navios ou camiõescisterna a baixas temperaturas e pressões mais baixas.Ambos métodos já são usados para o transporte de CO2 em outras aplicações industriais.Armazenamento (seqüestro)Armazenamento geológico: O armazenamento geológico consiste na injeção, após captura do CO2, nasua 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 asjazidas de petróleo e gás) são candidatos potenciais para o armazenamento. A injeção de CO2 nasformações geológicas profundas integra muitas das tecnologias desenvolvidas na indústria deprospecção de petróleo e gás, pelo que a tecnologia de injeção, simulação, controlo e vigilância doarmazenamento existe e continua a ser aperfeiçoada.» Formações salinas: à semelhança das jazidas de petróleo e gás é possível também injetar CO2 emjazidas salmoura.» Camadas de carvão inexploradas: é possível a injeção em camadas de carvão que não venham a serexploradas, dependendo sempre da sua permeabilidade. Estes mecanismos ainda estão em fase dedemonstração.» 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 degasodutos fixos ou de navios.A outra opção passa pela deposição do CO2 no fundo do oceano através de um gasoduto fixo ou de umaplataforma marítima (a mais de 3000 metros de profundidade), onde a água é mais densa e se esperaque o CO2 forme um lago.O armazenamento oceânico e o seu impacto ecológico estão por analisar, podendo existir problemas deacidificação dos oceanos, sendo uma das alternativas possíveis mas que levanta ainda muitas questõestécnicas 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
  7. 7. cinzas de aço inoxidável), produz através de reações químicas carbonatos inorgânicos estáveis. A reaçãonatural é muito lenta é deverá ser melhorada através de tratamentos prévios dos minerais, que sãoaltamente intensivos em energia. Esta tecnologia está em fase de investigação, mas em certasaplicações, 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-primapara a produção de diversas substâncias químicas que contêm carbono. No entanto, devido a baixa taxade retenção da maior parte dos produtos e a inexistência de dados que permitam concluir se o balançofinal de muitas aplicações industrias é negativo ou positivo, este mecanismo encontra-se em fase deestudo e prevê-se que a sua contribuição não seja muito elevada.Consumo energético e impactos ambientais dos CACA implementação deste tipo de soluções implica um aumento da produção de CO2. Isto é derivado daperda de eficiência da central devido ao aumento do consumo energético necessário para as fases decaptação, transporte e armazenamento do CO2.Os valores de aumento de consumo de combustível por kWh produzido para instalações existentes quecapturem cerca de 90% do CO2 produzido, variam entre os 11 e os 40% (conforme a tecnologia). Noentanto estes valores são essencialmente para instalações já existentes. Para instalações de capturapiloto, 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 na captura» Aumento das emissões de alguns poluentes, como CO e NOx, que não são capturados no processo. -Riscos eventuais para a saúde humana pela presença de CO2 em grandes concentrações, ou em estadosólido (baixas temperaturas: possíveis queimaduras em derrames acidentais).Riscos ambientais e humanos no transporte» O transporte por gasoduto não apresenta problemas superiores aos já defrontados pelo transporte degases como Gás Natural. Existe sempre um eventual risco de fuga ou rebentamento, mas sem oproblema da inflamação. - Para o transporte via terrestre ou marítima a situação é semelhante aotransporte de outro tipo de gases industriais, havendo sempre uma possibilidade relativamente pequenade risco de acidentes e eventuais derramamentos de CO2, cujas conseqüências estão por estudar, masque podem eventualmente causar asfixia.Riscos ambientais e humanos no armazenamento» Existem duas categorias destes tipos de riscos: Riscos Mundiais: se houver uma fuga considerável numdepósito 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 dasfugas, ou fugas por falhas geológicas não detectadas, criando eventual contaminação de aqüíferos eacidificação dos solos.Para o caso do armazenamento oceânico, o risco apresenta-se bastante mais elevado, tendo em conta afalta de informação disponível quanto aos efeitos do aumento da concentração de CO2 (acidificação) nosecossistemas marítimos.

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