Penn State escala reator de metano com micróbios em 10 vezes sem perder eficiência

Pequenos reatores que recorrem a micróbios para transformar dióxido de carbono em combustível na forma de metano ficaram por muito tempo limitados ao ambiente de laboratório. Sempre que se tentava construir versões maiores, surgia o mesmo obstáculo: quanto maior o sistema, maior a resistência interna - e, como consequência, a eficiência caía.

Pesquisadores da Penn State acabam de contornar esse problema. O reator desenvolvido por eles opera com uma área de eletrodo dez vezes maior do que a de versões anteriores - e a eficiência praticamente não se alterou.

O problema do armazenamento

O armazenamento de longo prazo da eletricidade renovável segue como uma lacuna difícil nos planos de energia limpa. A hidrelétrica reversível - bombear água para cima e depois deixá-la descer atravessando turbinas - funciona apenas onde a geografia ajuda. E a maior parte do mundo não conta com esse tipo de condição.

Bruce Logan, Ph.D., diretor do Institute of Energy and the Environment da Pennsylvania State University (Penn State), vem há anos defendendo uma alternativa. A equipa dele procura converter o excedente de energia renovável em um combustível químico compatível com tanques e gasodutos já existentes.

Esse combustível é o metano renovável, e a conversão depende de micróbios vivos - um sistema que o grupo de Logan acredita, agora, conseguir aumentar de escala de forma competitiva.

Reator de metano usa micróbios

A técnica recebe o nome de eletrossíntese microbiana, e o princípio é simples. A eletricidade de um painel solar divide a água em hidrogénio e oxigénio. Dentro do reator, microrganismos minúsculos chamados metanogénios ficam próximos, absorvem hidrogénio e dióxido de carbono e, ao final, produzem metano.

O metano é o principal componente do gás natural. Já existem gasodutos para transportá-lo. Já há tanques para armazená-lo. E usinas e sistemas de aquecimento já o queimam. Se a produção acompanhar a necessidade, a questão de infraestrutura praticamente se resolve sozinha.

O desafio sempre esteve em fazer isso fora do “tamanho de bancada”. Em dispositivos pequenos, a eletrossíntese microbiana funciona bem. Porém, quando se tenta aumentar o reator, a resistência interna cresce. Parte do hidrogénio escapa antes de os micróbios conseguirem capturá-lo. E a eficiência desaba rapidamente.

Até este trabalho, ninguém tinha ampliado a tecnologia por uma ordem de grandeza completa sem pagar o preço em desempenho.

Um reator de metano maior

A equipa de Logan construiu o que a engenharia chama de reator de folga zero, no qual os dois eletrodos ficam separados apenas por uma membrana fina. Esse desenho mantém a resistência interna baixa mesmo quando o equipamento aumenta.

Os investigadores levaram a área do eletrodo a cerca de dez vezes a usada em modelos anteriores e alongaram o caminho de escoamento interno para quase 0,3 metro. Diversas portas de fluxo ajudaram a distribuir líquidos e gases de forma homogénea por todo o sistema. Assim, não aparecem regiões “famintas” de reagentes nem zonas com alagamento.

O que os números mostram

A 86°F (30°C), o reator gerou quase sete vezes o seu próprio volume em metano por dia. A eficiência de conversão - a fração da eletricidade de entrada que vira metano, em vez de se perder em reações paralelas - ultrapassou 95%. Trata-se de uma transferência quase perfeita.

Já a eficiência energética ficou em torno de 45%, patamar que, segundo uma revisão recente da área, está entre os valores mais altos reportados para sistemas de eletrossíntese microbiana em condições padrão.

Reator de metano indica produção mais rápida

O grupo de Logan esperava que a resistência interna aumentasse à medida que o reator crescesse. Não foi o que aconteceu. “Embora tenhamos feito o sistema muito maior, a resistência interna não piorou”, disse Logan. “Isso ocorre porque conseguimos usar o hidrogénio que sai dos eletrodos com muito mais eficiência.”

No fundo, tudo depende de como a energia passa de um componente ao outro. Em projetos anteriores, procurava-se fazer com que os micróbios retirassem energia diretamente da superfície do eletrodo. Só que poucas espécies conseguem isso em taxas realmente úteis.

No novo reator, a água é dividida primeiro para formar hidrogénio, e então os metanogénios o consomem. O hidrogénio é um insumo que a maioria dos micróbios produtores de metano consegue processar com facilidade - e isso parece explicar as taxas mais altas de produção. Um trabalho anterior do laboratório de Logan já apontava para essa estratégia em escalas menores.

Gasodutos e possibilidades

Para Logan, o objetivo final é direto: instalar unidades de produção de metano ao lado de parques solares e eólicos. Quando a geração ultrapassar o que a rede elétrica precisa, o excedente pode ser enviado ao reator, em vez de ser desperdiçado por cortes de produção.

Esse metano entraria nas linhas de gás existentes, onde pode ficar armazenado até o inverno ou viajar centenas de quilómetros antes de ser queimado em uma usina ou num aquecedor doméstico.

“Em vez de colocar eletricidade na rede, você a usa no local para produzir metano e injetá-lo nas linhas de gás”, disse Logan.

A proposta, no entanto, vem com uma ressalva. Vazamentos de metano na infraestrutura são um problema climático conhecido. E, mesmo que ele seja produzido a partir de dióxido de carbono, o benefício climático desaparece se uma parcela grande escapar durante o transporte.

O que vem a seguir

Durante anos, uma crítica frequente à eletrossíntese microbiana era que ela funcionava em recipientes pequenos e pouco além disso. Esse ponto perde força agora. O reator aumenta de escala por uma ordem de grandeza e mantém o desempenho, colocando a solução em disputa real com outras opções de armazenamento de longa duração.

O custo ainda é a grande incógnita. A conta depende de eletricidade renovável barata, e os catalisadores ainda têm margem para melhorar. Também há muita engenharia entre este protótipo e uma unidade operacional completa.

Mesmo assim, o caminho ficou mais nítido do que antes. Concessionárias que precisam decidir como “guardar” a energia do verão para o aquecimento no inverno passam a ter uma alternativa a avaliar.

E para quem projeta a próxima geração de instalações solares e eólicas, já dá para incluir um reator de metano no desenho do site. O dióxido de carbono deixa de ser resíduo e passa a ser matéria-prima.