Elétricos provavelmente não substituirão motores movidos pela queima de combustíveis, como o diesel que desempenham papéis importantes na sociedade moderna. Mas podem haver alternativas menos agressivas ao meio ambiente.
Por Steven Savage, para Forbes
A fim de abordar seriamente as mudanças climáticas, serão necessárias grandes mudanças no setor de transporte dos EUA, porque representa 29% de nossas emissões totais de gases de efeito estufa nos EUA . Carros elétricos e SUVs são amplamente promovidos como uma solução; no entanto, essa mudança só é favorável ao clima se a rede usada para carregá-los for drasticamente alterada para fontes de energia renováveis, como eólica ou solar.
No entanto, a eletrificação não é uma solução particularmente viável para substituir os motores a diesel que desempenham muitos papéis importantes na sociedade moderna. Eles acionam caminhões, trens, barcos e barcaças, muitos ônibus públicos e escolares, equipamentos agrícolas e de construção pesados, veículos militares e geradores para produzir eletricidade de reserva. A vantagem funcional dos motores a diesel é que seu alto torque os torna poderosos o suficiente para movimentar cargas pesadas, enquanto sua alta eficiência é boa para rotas longas ou tarefas prolongadas. Uma desvantagem é que os motores a diesel têm problemas de poluição do ar (partículas e emissões de NOx).
Este setor de diesel é uma parte fundamental do desafio das mudanças climáticas. De acordo com a Agência de Informação de Energia dos EUA (EIA), o uso anual de diesel nos EUA no setor de transporte em 2020 foi de 44,6 bilhões de galões – compreendendo 16% do consumo total de petróleo dos EUA e gerando 26% das emissões de CO 2 fóssil do setor de transporte. O caminho direto para “descarbonizar” o setor seria ampliar o uso de biodiesel feito a partir de gorduras vegetais e animais. Uma nova opção interessante pode ser o uso de bioetanol feito de carboidratos à base de plantas. Existem prós e contras para cada opção de biocombustível, mas realisticamente existem papéis lógicos para ambos.
O biodiesel já é uma indústria estabelecida com um valor de mercado global de US$ 23,2 bilhões, que deve chegar a US$ 25,9 bilhões até 2026. É mais comumente misturado a 20% com diesel comum e vendido como B20. A capacidade de produção dos EUA em 2022 era de 2,25 bilhões de galões/ano, o que representa cerca de 5% do uso de diesel existente. O biodiesel é feito a partir de oleaginosas como a soja, mas também de óleo de fritura usado de restaurante, gordura animal de instalações de processamento.
A mistura de biodiesel mais comum no mercado hoje é B20 com 20% de biodiesel e 80% de diesel à base de petróleo. Pode ser usado para quase qualquer motor diesel novo ou antigo. Muitos motores a diesel existentes também podem usar uma mistura de 80% de biodiesel, mas acima desse nível a eficiência do combustível começa a diminuir e há problemas de armazenamento sob temperaturas frias. A produção de biodiesel precisaria ser substancialmente expandida para alcançar uma redução significativa da pegada de carbono para o setor de motores a diesel, mas isso seria minimamente disruptivo para os aspectos mecânicos e de distribuição do segmento.
A nova opção mencionada anteriormente seria modificar os motores a diesel existentes para que possam usar bioetanol derivado dos carboidratos. Essa estratégia está sendo perseguida por uma empresa chamada “ ClearFlame Engine Technologies.
O status da tecnologia será discutido abaixo, mas primeiro algumas informações sobre esse combustível específico.
O bioetanol também é uma indústria estabelecida que abastece o setor automotivo com misturas de 10-15%. O mercado global em 2020 valeu US$ 33,7 bilhões e deve crescer para US$ 64,8 bilhões até 2025. A produção é baseada principalmente em milho ou cana-de-açúcar, mas pode vir de outras fontes. A capacidade de produção dos EUA para esse combustível é de 17,4 bilhões de galões/ano. Embora isso seja quase oito vezes a capacidade de produção anual de biodiesel, ainda teria que haver um aumento substancial na produção de bioetanol para que a tecnologia ClearFlame fosse usada para eliminar completamente o perfil de mudança climática do setor de motores a diesel dos EUA – embora os volumes de bioetanol já sejam suficientes para descarbonizar 23% do uso rodoviário.
Comparação do Perfil de Energia - O CO2 liberado pela queima de biocombustíveis é classificado como “biogênico”, pois foi recentemente capturado durante a fotossíntese pelas plantas, em oposição ao “carbono fóssil” liberado pela queima de combustível à base de petróleo. Mesmo assim, a produção de um biocombustível ainda tem uma “pegada” de carbono fóssil baseada na energia de base fóssil envolvida em sua produção (por exemplo, fertilizantes e outros insumos para a lavoura, combustível para trator, eletricidade, transporte para o refinador e fermentação processo em si).
A “relação de energia” é a quantidade de energia no produto final do biocombustível dividida por esses requisitos de energia de produção. As eficiências de carbono do biodiesel e do bioetanol melhoraram à medida que os sistemas de produção amadureceram. A eficiência do biodiesel aumentou de 3,2 em 1998 para 5,52 em 2011. A eficiência do bioetanol tende a ser menor para as instalações típicas de milho (uma média de 2,1 em um estudo ), mas pode chegar a 4,0 em algumas instalações de produção, de acordo com outro estudo do USDA .
O perfil geral do bioetanol também pode ser melhorado adicionando capacidade de captura de carbono durante a produção, e a parte agrícola da pegada pode ser reduzida usando “ fertilizante de nitrogênio eletrificado ”. Resumindo, qualquer um desses biocombustíveis pode fazer uma diferença significativa na pegada de carbono do atual setor de diesel fóssil.
Atualmente, o etanol não pode ser usado em motores a diesel; no entanto, é a visão ambiciosa da ClearFlame para superar essa limitação. Seu objetivo não é substituí-los, mas modificar os motores existentes para que se tornem “independentes de combustível”.
Por mais ambicioso que isso pareça, as ideias dois estudantes de pós-graduação em engenharia, fundadores da startup
foram levadas sério pela comunidade de investimentos de risco e por elementos-chave das indústrias que esperam servir. Seu trabalho de desenvolvimento foi realizado no Laboratório Nacional de Argonne e eles inicialmente arrecadaram US$ 3 milhões com uma impressionante lista de parceiros de doação (Departamento de Energia dos EUA, NSF, USDA, TomKat Center for Sustainable Energy, John Deere e Stanford University), seguidos por US$ 17 milhões em Financiamento da Série A em 2021, liderado pela Breakthrough Energy Ventures, fundada por Bill Gates, com participação da Mercuria, John Deere e Clean Energy Ventures.
A modificação do motor do ClearFlame envolve um processo de combustão de alta temperatura – que combina pequenas mudanças de encanamento com um sistema de injeção de combustível diferente para permitir a combustão “estilo diesel” de qualquer combustível de baixo carbono, incluindo 100% etanol. Espera-se que esta modificação seja prática para quase todos os motores fabricados desde 2010. Um estudo recém-lançadopela Gladstein, a Neandross& Associates analisou o custo total de propriedade de um caminhão equipado com ClearFlame e descobriu que era esperado que custasse menos por milha do que as plataformas a diesel, gás natural, elétricas e à base de hidrogênio - incluindo potencialmente 40% menos do que as plataformas elétricas e 30% menos que o hidrogênio – graças principalmente ao baixo custo do etanol combustível.
A ststup visa que a tecnologia se pague essencialmente nos primeiros 18 a 24 meses. Além da redução da pegada de carbono com base na troca de combustível (~40%), esses motores gerariam muito menos poluição e 100 vezes menos fuligem. Com estados individuais como a Califórnia estabelecendo padrões de combustível e emissões, esse perfil mais limpo seria útil para os transportadores interestaduais. A vantagem do biocombustível também seria atraente em países como Suécia ou Reino Unido, que têm impostos sobre carbono.
O próximo estágio crítico para essa tecnologia está em andamento, já que os participantes do setor começam a “chutar os pneus” para ver se os motores modificados têm o desempenho e a potência necessária para esses usos exigentes.
Os primeiros caminhões modificados ClearFlame começaram os testes de estrada em 2022. O protótipo do equipamento agrícola está sendo avaliado pela John Deere, que está realizando testes piloto da tecnologia. Geradores de energia piloto também estão em teste.
Se os resultados atenderem às expectativas, desafio seguinte será considerar as questões de distribuição de combustível. O bioetanol de força total estaria facilmente disponível para abastecer máquinas agrícolas normalmente localizadas perto das instalações de fermentação nas quais é feito. Em seguida, é entregue aos terminais de combustível em uma concentração total de 98% para mistura para algo como combustível para automóveis.
As frotas regionais de caminhões poderiam aproveitar esses suprimentos se bombas maiores estivessem instaladas para encher rapidamente seus tanques. Um uso futuro para caminhões de longa distância exigiria alguns ajustes de infraestrutura no nível de parada de caminhões, mas ainda utilizaria os terminais de distribuição de líquidos existentes
Essa tecnologia está sendo observada com interesse por muitas partes nos setores de veículos e equipamentos. É também importante para a comunidade agrícola. Por exemplo, um membro da Iowa Corn Association está no Conselho da ClearFlame. O conceito de deslocar ainda mais o setor de motores diesel para os biocombustíveis também é atraente do ponto de vista da independência energética.
A esperança é que “no futuro” esta seja mais uma solução que se encaixa na visão .
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