A economia do metanol é uma economia futura sugerida na qual o metanol e o éter dimetílico substituem os combustíveis fósseis como um meio de armazenamento de energia, combustível de transporte terrestre e matéria-prima para hidrocarbonetos sintéticos e seus produtos. Oferece uma alternativa à economia de hidrogênio proposta ou à economia do etanol.

Na década de 1990, o ganhador do prêmio Nobel, George A. Olah, defendia uma economia de metanol; em 2006, ele e dois coautores, GK Surya Prakash e Alain Goeppert, publicaram um resumo do estado das fontes de energia fósseis e alternativas, incluindo sua disponibilidade e limitações, antes de sugerir uma economia de metanol.

O metanol pode ser produzido a partir de uma ampla variedade de fontes, incluindo combustíveis fósseis ainda abundantes (gás natural, carvão, xisto betuminoso, areia betuminosa, etc.), bem como produtos agrícolas e resíduos urbanos, madeira e biomassa variada. Também pode ser feito de reciclagem química de dióxido de carbono.

Introdução
Em 2005, o Prêmio Nobel George A. Olah pediu a criação de uma economia em metanol no ensaio Beyond Oil and Gas: The Methanol Economy e, em 2006, juntamente com outros dois co-autores publicaram um livro sobre este assunto. os autores resumem o status das fontes de combustível fóssil e outras fontes alternativas de energia, sua disponibilidade e limitações antes de sugerir a experimentação da chamada economia do metanol.

O metanol é um combustível que pode ser usado tanto para motores térmicos quanto para células a combustível. Graças ao seu bom índice de octano, ele pode ser usado diretamente como combustível em carros (incluindo carros híbridos e modelos plug-in) usando vários tipos de motores de combustão interna já em uso. O metanol também pode ser usado na célula a combustível, seja diretamente, nas células DMFC, ou indiretamente, após sua transformação em hidrogênio por reforma.

Em condições normais, o metanol é um líquido que permite que seja facilmente armazenado, transportado e distribuído, semelhante ao que é feito com gasolina e diesel. Quimicamente, ele também pode ser rapidamente transformado por desidratação em éter dimetílico, um substituto de diesel que possui um número de cetano de 55.

Nos anos 2000, o metanol é usado em grande escala (cerca de 37 milhões de toneladas por ano) como um tijolo químico elementar para produzir numerosos químicos complexos e materiais poliméricos. Além disso, pode ser facilmente convertido pelo processo “metanol para olefina” (MTO) em etileno e propileno, hidrocarbonetos insaturados que podem ser utilizados para produzir hidrocarbonetos sintéticos de maior peso molecular e outros derivados destes, que são normalmente obtidos a partir de petróleo e gás natural.

Fontes de metanol
O metanol pode ser eficientemente produzido a partir de uma ampla variedade de fontes, incluindo alguns tipos muito abundantes de combustíveis fósseis (gás natural, carvão, xisto betuminoso, areia betuminosa, etc.), mas também de resíduos agrícolas e lixo comum urbano e urbano diferenciados. e de vários tipos de biomassa.

Reciclagem de dióxido de carbono
Uma hipótese muito mais radical é obter o metanol da reciclagem química do dióxido de carbono.Inicialmente, a principal fonte poderia ser as emissões ricas em CO 2 de usinas que queimam combustíveis fósseis ou descargas de fábricas de cimento e outras fábricas. Em um tempo mais longo, considerando a diminuição dos recursos de combustíveis fósseis eo efeito de seu uso na atmosfera da Terra, até mesmo a baixa concentração de CO 2 natural poderia ser capturada e reciclada para obter metanol: desta forma, seria um suplemento para o mesmo ciclo natural da fotossíntese. Novas e mais eficientes substâncias absorventes estão sendo desenvolvidas, capazes de captar CO2 atmosférico, que em alguns casos imitam a ação de plantas vivas. A reciclagem química do CO 2 para obter novos combustíveis e materiais poderia se tornar possível e sustentável, tornando esses “combustíveis de carbono não-fósseis” renováveis ​​em uma escala de tempo comparável à vida humana. Na Islândia, em 2011/2012, uma produção de dois milhões de litros de metanol por ano já começou com este sistema.

Usos

Combustível
O metanol é um combustível para motores térmicos e células de combustível. Devido à sua alta octanagem, ele pode ser usado diretamente como combustível em carros flex-fuel (incluindo veículos híbridos e plug-in híbridos) usando motores de combustão interna existentes (ICE). O metanol também pode ser queimado em outros tipos de motores ou para fornecer calor à medida que outros combustíveis líquidos são usados. Células a combustível, podem usar metanol diretamente em Células de Combustível Metanol Direto (DMFC) ou indiretamente (após conversão em hidrogênio por reforma).
Em motores de combustão interna (ICE)
O metanol tem um alto índice de octano (RON de 107 e MON de 92), o que o torna um substituto adequado para a gasolina. Tem uma velocidade de chama mais elevada do que a gasolina, o que leva a uma maior eficiência assim como um maior calor de vaporização latente (3,7 vezes mais alto que a gasolina), o que implica que o calor gerado pelo motor pode ser removido mais eficazmente. motores arrefecidos. Além disso, as queimadas de metanol produzem menos poluentes que a gasolina e são mais seguras em caso de incêndio. No entanto, o metanol tem apenas metade do conteúdo de energia por volume em comparação com a gasolina (8.600 BTU / libra).

Em motores de ignição por compressão (motores diesel)
O metanol, por si só, é um mau substituto para os combustíveis diesel. Mas, devido à desidratação química, o metanol pode ser transformado em éter dimetílico (DME), que é um bom combustível diesel com um número de cetano de 55-60, melhor que o número de cetano 45-55 do diesel comum.Em comparação com os combustíveis diesel, o DME tem emissões muito menores de material particulado, NO x e CO e não emite qualquer tipo de dióxido de enxofre ou dióxido de enxofre (SO x). O metanol também é usado para produzir biodiesel, através da transesterificação de óleos vegetais.

Em motores avançados ou em células de combustível alimentadas por metanol
O uso de metanol e éter-dimetil pode ser combinado com tecnologias de motores híbridos e carros elétricos, de modo a obter uma maior quilometragem (quilômetros por litro) e menores emissões.Esses combustíveis podem ser usados ​​tanto em células a combustível quanto em catalisadores que operam a reforma, obtendo hidrogênio para alimentar a célula a combustível, ou diretamente “queimando” metanol em células de combustível direto de metanol (DMFCs).

Para a produção de eletricidade
O metanol e o DME podem ser usados ​​em turbinas a gás para gerar eletricidade. Os modelos de célula de combustível atualmente muito caros (PAFC, MCFC, SOFC) podem ser usados ​​para geração de eletricidade, especialmente em ambientes onde o baixo ruído é necessário, além da baixa geração de calor, como hospitais; ou um peso muito baixo da planta, como nos veículos de transporte aéreo ou espacial.

Como combustível doméstico
Metanol e DME podem ser usados ​​em edifícios comerciais e residências para gerar calor e / ou eletricidade. O DME pode ser usado em fogões / cozinhas a gás comerciais, sem grandes modificações. Nos países em desenvolvimento, o metanol pode ser usado como combustível para a cozinha, pois queima muito mais limpo do que a madeira (menos nanopartículas e CO) e, dessa forma, reduz alguns dos problemas relacionados à poluição doméstica. misturado com gasolina, diesel, ou com adulterantes, a fim de evitar qualquer possível fraude, e o uso letal como um aditivo para bebidas, um evento que ocorreu na Itália com o golpe de vinho metanol.

Elemento básico para química e materiais poliméricos
Atualmente, o metanol é amplamente utilizado em grande escala como material base para a produção de uma variedade de produtos químicos e outros produtos, como polímeros plásticos.Com o processo conhecido como “metanol para gasolina” (MTG), o metanol pode ser transformado em gasolina. Utilizando o processo “metanol para olefina” (MTO), o metanol pode ser convertido em etileno e propileno, os dois produtos químicos fabricados em maior quantidade pela indústria petroquímica. Estes são importantes blocos de construção para a produção de polímeros essenciais (LDPE, HDPE, PP) e outros intermediários químicos que são atualmente produzidos a partir de derivados de petróleo. Sua produção a partir do metanol poderia, portanto, reduzir a dependência do petróleo. Também possibilitará continuar produzindo esses químicos e plásticos básicos, mesmo após o término dos depósitos de combustíveis fósseis.

Matéria prima
O metanol já é usado hoje em grande escala para produzir uma variedade de produtos químicos e produtos. A demanda global de metanol como insumo químico atingiu cerca de 42 milhões de toneladas métricas por ano a partir de 2015. Por meio do processo de metanol para gasolina (MTG), ele pode ser transformado em gasolina. Utilizando o processo metanol-olefina (MTO), o metanol também pode ser convertido em etileno e propileno, os dois produtos químicos produzidos em maior quantidade pela indústria petroquímica. Estes são importantes blocos de construção para a produção de polímeros essenciais (LDPE, HDPE, PP) e, como outros intermediários químicos, são atualmente produzidos principalmente a partir de matérias-primas de petróleo. Sua produção de metanol poderia, portanto, reduzir nossa dependência do petróleo. Também tornaria possível continuar produzindo esses produtos químicos quando as reservas de combustíveis fósseis se esgotarem.

Produção
Hoje, a maior parte do metanol é produzido a partir do metano através de syngas. Trinidad e Tobago é atualmente o maior exportador mundial de metanol, com exportações principalmente para os Estados Unidos. O gás natural que serve como matéria-prima para a produção de metanol vem das mesmas fontes que outros usos. Recursos de gás não convencionais, como o metano de leito de carvão, gás de areia apertado e, eventualmente, os recursos muito grandes de hidrato de metano presentes nas plataformas continentais dos mares e na tundra siberiana e canadense também poderiam ser usados ​​para fornecer o gás necessário.

A rota convencional para o metanol a partir do metano passa pela geração de gás de síntese por reforma a vapor combinada (ou não) com oxidação parcial. Novas e mais eficientes formas de converter metano em metanol também estão sendo desenvolvidas. Esses incluem:

Oxidação de metano com catalisadores homogêneos em meio de ácido sulfúrico
Brominação de metano seguida de hidrólise do bromometano obtido
Oxidação direta de metano com oxigênio
Conversão microbiana ou fotoquímica de metano
Oxidação parcial do metano com captura do produto parcialmente oxidado e subseqüente extração em cobre e ferro Zeólita trocada (por exemplo, alfa-oxigênio)

Todas essas rotas sintéticas emitem o gás de efeito estufa CO2 dióxido de carbono. Para mitigar isso, o metanol pode ser feito através de formas minimizando a emissão de CO2. Uma solução é produzi-lo a partir de gás de síntese obtido pela gaseificação de biomassa. Para este fim, qualquer biomassa pode ser utilizada, incluindo madeira, resíduos de madeira, erva, culturas agrícolas e seus subprodutos, resíduos animais, plantas aquáticas e resíduos urbanos. Não há necessidade de usar culturas alimentares como no caso do etanol a partir de milho, cana-de-açúcar e trigo.

Biomassa → Syngas (CO, CO ₂ , H ₂ ) → CH ₃ OH

O metanol pode ser sintetizado a partir de carbono e hidrogênio de qualquer fonte, incluindo combustíveis fósseis e biomassa ainda disponíveis. O CO2 emitido a partir de usinas geradoras de combustíveis fósseis e outras indústrias e, eventualmente, até mesmo o CO2 contido no ar, pode ser uma fonte de carbono. Também pode ser feito a partir da reciclagem química de dióxido de carbono, que a Carbon Recycling International demonstrou com sua primeira planta comercial.Inicialmente, a principal fonte serão os gases de combustão ricos em CO2 das usinas geradoras de combustível fóssil ou a exaustão de cimento e outras fábricas. No longo prazo, porém, considerando a diminuição dos recursos de combustíveis fósseis e o efeito de sua utilização na atmosfera terrestre, até mesmo a baixa concentração de CO2 atmosférico poderia ser capturada e reciclada via metanol, complementando assim o próprio ciclo fotossintético da natureza. Novos absorventes eficientes para capturar o CO2 atmosférico estão sendo desenvolvidos, mimetizando a capacidade das plantas. A reciclagem química de CO2 para novos combustíveis e materiais poderia, assim, tornar-se viável, tornando-os renováveis ​​na escala temporal humana.

O metanol também pode ser produzido a partir de CO2 por hidrogenação catalítica de CO2 com H2, onde o hidrogênio foi obtido a partir da eletrólise da água. Este é o processo utilizado pela Carbon Recycling International da Islândia. O metanol também pode ser produzido através de redução eletroquímica de CO2, se a energia elétrica estiver disponível. A energia necessária para essas reações, a fim de ser neutra em carbono, viria de fontes de energia renováveis, como eólica, hidroelétrica e solar, além de energia nuclear. Com efeito, todos eles permitem que a energia livre seja armazenada em metanol facilmente transportável, que é feito imediatamente de hidrogênio e dióxido de carbono, em vez de tentar armazenar energia em hidrogênio livre.

CO ₂ + 3H ₂ → CH ₃ OH + H ₂ O
ou com energia elétrica

CO ₂ + 5H ₂ O + 6 e ⁻¹ → CH ₃ OH + 6 HO ⁻¹
6 HO ⁻¹ → 3H ₂ O + 3/2 O ₂ + 6 e ⁻¹

Total:
CO ₂ + 2H ₂ O + energia elétrica → CH ₃ OH + 3/2 O ₂

O CO2 necessário seria capturado a partir de usinas de queima de combustíveis fósseis e outros gases de combustão industriais, incluindo fábricas de cimento. Com a diminuição dos recursos de combustíveis fósseis e, portanto, as emissões de CO2, o teor de CO2 no ar também poderia ser usado. Considerando a baixa concentração de CO2 no ar (0,04%), tecnologias melhoradas e economicamente viáveis ​​para absorver o CO2 terão que ser desenvolvidas. Por esse motivo, a extração de CO2 da água pode ser mais viável devido às suas concentrações mais altas na forma dissolvida. Isso permitiria a reciclagem química do CO2, imitando a fotossíntese da natureza.

Vantagens
No processo de fotossíntese, as plantas verdes usam a energia da luz solar para dividir a água em oxigênio livre (que é liberado) e hidrogênio livre. Em vez de tentar armazenar o hidrogênio, as plantas imediatamente capturam dióxido de carbono do ar para permitir que o hidrogênio o reduza a combustíveis armazenáveis, como hidrocarbonetos (óleos vegetais e terpenos) e polialcoóis (glicerol, açúcares e amidos). Na economia do metanol, qualquer processo que similarmente produz hidrogênio livre, propõe usá-lo imediatamente para reduzir o dióxido de carbono em metanol, que, como os produtos vegetais da fotossíntese, tem grandes vantagens no armazenamento e transporte do próprio hidrogênio livre.

O metanol é um líquido em condições normais, permitindo que ele seja armazenado, transportado e dispensado facilmente, assim como gasolina e diesel. Também pode ser facilmente transformada por desidratação em éter dimetílico, um substituto de combustível diesel com um número de cetano de 55.

Comparação com o hidrogênio
Vantagens da economia de metanol em comparação com uma economia de hidrogênio:

Armazenamento de energia eficiente em volume, em comparação com o hidrogênio comprimido.Quando o vaso de confinamento de pressão de hidrogênio é levado em conta, uma vantagem no armazenamento de energia por peso também pode ser realizada. A densidade de energia volumétrica do metanol é consideravelmente maior do que o hidrogênio líquido, em parte devido à baixa densidade de hidrogênio líquido de 71 gramas / litro. Portanto, há realmente mais hidrogênio em um litro de metanol (99 gramas / litro) do que em um litro de hidrogênio líquido, e o metanol não precisa de um recipiente criogênico mantido a uma temperatura de -253 ° C.
Uma infra-estrutura de hidrogênio líquido seria proibitivamente cara. O metanol pode usar a infraestrutura de gasolina existente com apenas modificações limitadas.
Pode ser misturado com gasolina (por exemplo, em M85, uma mistura contendo 85% de metanol e 15% de gasolina).
Amigo do usuário. O hidrogênio é volátil e seus confinamentos utilizam sistemas de alta pressão ou criogênicos.
Menos perdas: O hidrogênio vaza mais facilmente que o metanol. O calor evapora o hidrogênio líquido, resultando em perdas esperadas de até 0,3% por dia nos tanques de armazenamento. (veja os tanques de armazenagem do Chart Ferox Oxigênio líquido).

Comparação com o etanol
Pode ser feito de qualquer material orgânico usando tecnologia comprovada passando por syngas.Não há necessidade de usar culturas alimentares e competir com a produção de alimentos. A quantidade de metanol que pode ser gerada a partir da biomassa é muito maior que o etanol.
Pode competir e complementar o etanol em um mercado diversificado de energia. O metanol obtido a partir de combustíveis fósseis tem um preço menor que o etanol.
Pode ser misturado em gasolina como o etanol. Em 2007, a China misturou mais de 1 bilhão de galões americanos (3.800.000 m3) de metanol em combustível e introduzirá o padrão de combustível de metanol até meados de 2008. O M85, uma mistura de 85% de metanol e 15% de gasolina, pode ser usado de forma semelhante ao E85 vendido em alguns postos de gasolina hoje.

Desvantagens
Custos de alta energia atualmente associados à geração e transporte de hidrogênio externo.
Dependendo da matéria-prima, a geração em si pode não estar limpa.
Atualmente gerado a partir de gás natural ainda dependente de combustíveis fósseis (embora qualquer hidrocarboneto combustível possa ser usado).
Densidade energética (em peso ou volume) metade da gasolina e 24% menos que o etanol

Manipulação
Se nenhum inibidor for usado, o metanol é corrosivo para alguns metais comuns, incluindo alumínio, zinco e manganês. Partes dos sistemas de entrada de combustível do motor são feitas de alumínio.Semelhante ao etanol, o material compatível para tanques de combustível, gaxeta e entrada do motor devem ser usados.
Tal como acontece com o etanol similarmente corrosivo e hidrofílico, os dutos existentes projetados para produtos petrolíferos não podem lidar com o metanol. Assim, o metanol exige o transporte a um custo de energia mais alto em caminhões e trens, até que uma nova infraestrutura de tubulação possa ser construída, ou os dutos existentes sejam adaptados para o transporte de metanol.
O metanol, como um álcool, aumenta a permeabilidade de alguns plásticos para o combustível de vapores (por exemplo, polietileno de alta densidade). Esta propriedade do metanol tem a possibilidade de aumentar as emissões de compostos orgânicos voláteis (VOCs) do combustível, o que contribui para o aumento do ozônio troposférico e, possivelmente, a exposição humana.

Baixa volatilidade em climas frios: motores com metanol puro podem ser difíceis de iniciar e funcionam de forma ineficiente até serem aquecidos. É por isso que uma mistura contendo 85% de metanol e 15% de gasolina chamada M85 é geralmente usada em ICEs. A gasolina permite que o motor comece mesmo em temperaturas mais baixas.
Com exceção da exposição de baixo nível, o metanol é tóxico. O metanol é letal quando ingerido em maiores quantidades (30 a 100 mL). Mas a maioria dos combustíveis para motores também inclui gasolina (120 a 300 mL) e diesel. A gasolina também contém pequenas quantidades de muitos compostos conhecidos como carcinogênicos (por exemplo, benzeno). O metanol não é cancerígeno, nem contém carcinogênicos. No entanto, o metanol pode ser metabolizado no corpo em formaldeído, que é tóxico e cancerígeno. O metanol ocorre naturalmente em pequenas quantidades no corpo humano e em frutas comestíveis.
O metanol é um líquido: isso cria um risco maior de incêndio comparado ao hidrogênio em espaços abertos, pois os vazamentos de metanol não se dissipam. O metanol queima invisivelmente ao contrário da gasolina. Comparado à gasolina, no entanto, o metanol é muito mais seguro. É mais difícil inflamar e libera menos calor quando queima. Os incêndios de metanol podem ser extintos com água pura, enquanto a gasolina flutua na água e continua a queimar. A EPA estimou que a troca de combustíveis da gasolina para o metanol reduziria a incidência de incêndios relacionados a combustíveis em 90%.
O metanol é solúvel em água: liberado acidentalmente, pode sofrer um transporte de água subterrânea relativamente rápido, causando a poluição da água subterrânea, embora esse risco não tenha sido completamente estudado. Uma liberação acidental de metanol no meio ambiente, no entanto, causaria muito menos danos do que uma gasolina comparável ou derramamento de petróleo bruto. Ao contrário desses combustíveis, o metanol é biodegradável e totalmente solúvel em água, e seria rapidamente diluído a uma concentração baixa o suficiente para que o microrganismo iniciasse a biodegradação. Este efeito já é explorado em estações de tratamento de água, onde o metanol já é usado para desnitrificação e como nutriente para bactérias.

Aplicação
O metanol e seus derivados, como o dimetil éter, podem então ser usados ​​para gerar eletricidade tanto em motores clássicos de combustão interna quanto como combustível em células a combustível de metanol.

O armazenamento, transporte e distribuição do metanol, que é líquido à temperatura ambiente, pode usar a infra-estrutura e a tecnologia existentes. Grandes distâncias entre consumidores e produtores de energias regenerativas podem então ser eficientemente superadas. A densidade de armazenamento de energia é de cerca de 50% da densidade de armazenamento para gasolina e diesel.

Europa
Na Islândia, a Carbon Recycling International opera uma planta de produção de metanol. A planta foi nomeada após Olah.

Na Alemanha, há um projeto da iniciativa Carbon2Chem da ThyssenKrupp e do Ministério Federal de Educação e Pesquisa para a produção de metanol a partir de fundições.

China
De acordo com um estudo da firma de consultoria Methanol Market Services Asia (MMSA), estima-se que a capacidade mundial aumentará em 55,8 milhões de toneladas em 2027, das quais 38 milhões de toneladas serão usadas como combustível.

A produção de metanol na China baseia-se principalmente no carvão e deve ser usada tanto como combustível contendo metanol como M85 e M100 e como um derivado como éter dimetílico. Em 2007, o preço do metanol spot na China foi de cerca de 40% do preço da gasolina. Comissões estaduais na China estão trabalhando em padrões nacionais de combustível de metanol, as montadoras chinesas estão trabalhando em motores de metanol melhorados.

Espera-se que a capacidade chinesa de produção de éter dimetílico a partir do metanol suba de pouco menos de um milhão de toneladas em 2007 para mais de seis milhões de toneladas. Só a empresa Sinopec quer expandir sua capacidade de DME para três milhões de toneladas.