Os Estados Unidos poderiam eliminar a necessidade de petróleo bruto através de uma combinação de carvão, gás natural e de culturas não alimentares para fazer combustível sintético, uma equipe de pesquisadores de Princeton encontrou. (Crédito: © Maridav / Fotolia)
ScienceDaily - Os Estados Unidos podem eliminar a necessidade de petróleo bruto através de uma combinação de carvão, gás natural e de culturas não alimentares para fazer combustível sintético, uma equipe de pesquisadores de Princeton encontrou.
Além dos benefícios econômicos e de segurança nacional, o plano tem potenciais vantagens ambientais. Porque as plantas absorvem o dióxido de carbono para crescer, os Estados Unidos poderiam reduzir as emissões de efeito estufa dos veículos em até 50 por cento nas próximas décadas, utilizando culturas não-alimentares para criar combustíveis líquidos, disseram os pesquisadores.
Combustíveis sintéticos seria um ajuste fácil para o sistema de transporte, porque eles poderiam ser usados diretamente em motores de automóveis e são quase idênticos aos combustíveis refinados a partir do petróleo bruto. Que os diferencia de biocombustíveis atualmente disponíveis, tais como o etanol, que têm de ser misturado com o gás ou motores exigem especiais.
Em uma série de artigos acadêmicos sobre o ano passado, uma equipe liderada por Christodoulos Floudas, professor de engenharia química e biológica na Universidade de Princeton, avaliou cenários em que os Estados Unidos poderiam fornecer energia para os seus veículos com os combustíveis sintéticos em vez de depender do petróleo. Equipe Floudas 'também analisou o impacto que as usinas de combustíveis sintéticos eram propensos a ter em áreas locais e locais identificados que não sobrecarregaria regionais redes elétricas ou fontes de água.
"O objetivo é produzir combustível suficiente e também para cortar emissões de CO 2, ou o equivalente, em 50 por cento", disse Floudas, o Professor Stephen C. Macaleer '63 em Engenharia e Ciência Aplicada. "A questão não foi só ele pode ser feito, mas também pode ser feito de uma maneira economicamente atraente. A resposta é afirmativa em ambos os casos."
Conseguir isso não seria fácil ou rápido, Floudas disse. Uma abordagem realista chamaria para uma implementação gradual da tecnologia de combustível sintético, e Floudas estimou que levaria 30 a 40 anos para os Estados Unidos a adotar integralmente combustível sintético. Também não seria barato. Ele estima o preço em cerca de $ 1.1 trillion para todo o sistema.
A pesquisa faz-se uma parte importante de um papel branco produzido recentemente pelo Instituto Americano de Engenheiros Químicos (AIChE), associação a maior da nação engenharia química. No papel, os engenheiros químicos exigem uma maior integração de fontes de energia e exortar os políticos de considerar os processos químicos de conversão como um método potencial para a produção de combustíveis mais limpos e mais barato.
"Agora nós estamos indo por caminhos de energia tantas", disse Wispelwey junho, o diretor do instituto e um 1981 de Princeton aluna. "Há muitas maneiras para que o sistema seja mais integrado e muito mais eficiente."
O papel foi escrito por Vern Weekman, um dos Floudas "co-pesquisadores. Weekman, professor na Universidade de Princeton, é o ex-diretor da Central Mobil Research Laboratories e ex-presidente da AIChE.
Weekman disse que a principal razão que a indústria não tem abraçado combustíveis sintéticos tem sido custo. Embora ele disse que a economia é "ainda na borda", Weekman observou que o aumento dos preços do petróleo bruto e melhorias na eficiência da produção de combustível sintético tornaram o processo muito mais viável do que antes.
"O principal motivo que escreveu o papel era fazer com que os órgãos de planejamento - as academias nacionais, o Departamento de Energia, a Agência de Proteção Ambiental, o Departamento de Defesa - pensar sobre isso", disse Weekman. Ele acrescentou que é importante que as agências consideram "este elo fundamental do uso de processos químicos para produzir combustíveis convencionais".
Na pesquisa de Princeton, a equipe Floudas "descobriu que as plantas de combustíveis sintéticos poderia produzir combustível para motores diesel, gasolina e da aviação a preços competitivos, dependendo do preço do petróleo bruto e do tipo de matéria-prima utilizada para criar o combustível sintético. Cerca de dois terços do petróleo consumido pelos Estados Unidos é usado para o transporte de combustível, segundo a Administração Federal de Informações sobre Energia (EIA). O EIA disse que os Estados Unidos importam cerca de 45 por cento de seu consumo anual de petróleo bruto.
"Mesmo incluindo os custos de capital, combustíveis sintéticos ainda pode ser rentável", disse Richard Baliban, uma substância química e biológica estudante de engenharia que se formou em 2012 e foi o principal autor de vários trabalhos da equipe. "Enquanto o petróleo bruto é entre US $ 60 e US $ 100 por barril, esses processos são competitivos, dependendo da matéria-prima", disse ele.
O núcleo do plano é uma técnica que utiliza o calor e química para criar a gasolina e outros combustíveis líquidos a partir de matéria-prima de alto carbono que vão do carvão para o switchgrass, um nativo norte-americano grama comum para as Grandes Planícies. O método, chamado o processo de Fischer-Tropsch, foi desenvolvido na Alemanha na década de 1920, como uma maneira de converter carvão para combustíveis líquidos.
A química é complicado, mas, basicamente, leva o carbono e hidrogênio a partir da matéria-prima e remonta-los nas cadeias complexas que compõem combustíveis como a gasolina e o diesel. Essencialmente, o material de alimentação é aquecido a 1.000 a 1.300 graus Celsius e convertido em gás, e utilizando o processo de Fischer-Tropsch, o gás é convertida para cadeias de moléculas de hidrocarbonetos. Estas cadeias de hidrocarbonetos são então processadas sobre catalisadores como o níquel ou de ferro. Os produtos finais incluem os combustíveis e lubrificantes, ceras normalmente feitas a partir de petróleo bruto.
Método A equipe de Princeton adiciona uma etapa de reciclagem de CO 2 por meio do processo para reduzir a quantidade de gás expelido pelas plantas. Baliban disse que há um limite para a quantidade de CO 2 podem ser economicamente reciclados, embora as plantas também pode prender não utilizados emissões de CO 2 para posterior armazenamento.
Ao longo dos anos, os engenheiros têm refinado pelo método de Fischer-Tropsch original para aumentar a eficiência. Mas o alto custo de construção de novas usinas de combustíveis sintéticos, juntamente com o baixo preço do petróleo, fez com que os combustíveis sintéticos muito caros para uma aceitação generalizada.
Como o preço do petróleo aumentou, no entanto, os combustíveis sintéticos tornaram-se mais prático. O governo dos EUA tem realizado uma série de projetos para analisar o processo e, em especial, o Departamento de Defesa tem estudado combustíveis sintéticos como uma forma de fornecer combustível para transporte, sem depender de fornecedores no exterior.
Em seu trabalho, a equipe de Princeton olhou para um quadro mais amplo. Em um artigo de julho no Jornal AIChE, a equipe descobriu que os Estados Unidos poderiam atender à sua demanda por combustível de transporte inteiro através da construção de 130 usinas de combustíveis sintéticos em todo o país. O artigo, com Josephine Elia, um estudante de pós-graduação em engenharia química e biológica como o principal autor, fez a sua avaliação através de três matérias-primas: carvão, gás natural e biomassa. Para evitar o terra da produção de alimentos para as culturas utilizadas para a produção de combustível - o que prejudicaria o abastecimento de alimentos - os pesquisadores só incluiu não-comestíveis culturas como gramíneas perenes, resíduos agrícolas e resíduos florestais.
As plantas modelados em seu cenário foram colocados na proximidade de fontes de matérias-primas e mercados tanto para os combustíveis. A análise consignado em custos externos, como o abastecimento de água e eletricidade para poder máquinas das plantas.
Em última análise, a equipa recomendou a construção de nove pequenas, 74 médio e 47 plantas grandes produtoras de 1 por cento, 28 por cento e 71 por cento do combustível, respectivamente. A maioria das plantas seriam agrupados na parte central do país, e no Sudeste. O estado com o maior nível de produção de combustíveis seria Kansas, que teria 11 grandes usinas de combustíveis sintéticos. Texas teria o maior número de plantas, mas por causa da dispersão de matéria-prima no Estado, a maioria dessas plantas seriam médias empresas.
Os pesquisadores descobriram que o maior contribuinte para o preço do combustível sintético seria o custo de construção das usinas, seguido pela compra de biomassa e energia elétrica. Eles estimaram que o custo médio de produção em todo o país o equivalente sintético do barril de petróleo bruto seria $ 95,11, embora o custo varia regionalmente. O custo, no Kansas, onde a maior parte da produção ocorreria, seria, em média 83,58 dólares pelo equivalente a um barril de petróleo bruto.
O custo poderia ser muito menor se as plantas eliminadas biomassa e gás usado apenas carvão e natural para executar o processo, Floudas disse, mas que eliminaria a maior parte do benefício ambiental.
"Se você quer ter uma redução de 50 por cento nas emissões, você precisa ter a biomassa", disse ele.
De muitas maneiras, os combustíveis sintéticos são mais limpos que os combustíveis de petróleo. O metal pesado e contaminantes de enxofre de combustíveis de petróleo pode ser capturado nas plantas sintéticos antes que o combustível é enviado para fora. Combustíveis sintéticos também podem ser utilizados nos motores de gasolina e diesel sem necessidade de modificações, ao contrário de muitos biocombustíveis. O etanol biocombustíveis, por exemplo, é geralmente misturado com a gasolina, mas níveis elevados de etanol requerem modificações motores de automóveis e colocam desafios especiais para começar a baixas temperaturas.
Floudas disse que os combustíveis sintéticos também permitiria a redução de carbono com a frota de carros atualmente na estrada. Mesmo que o país imediatamente convertidos para zero de emissão de veículos eléctricos ou de células de combustível, milhões de veículos de combustão interna ainda estaria dirigindo. Ao mudar para combustíveis sintéticos, segundo ele, o país teria a oportunidade de reduzir essas emissões, mesmo que eles não seriam completamente eliminada.
"Esta é uma oportunidade para criar uma nova economia", disse Floudas. "A quantidade de petróleo as importações dos EUA é muito alto. Qual é o preço disso? Que outros recursos de que nós temos? E o que podemos fazer sobre isso?"
