Uma das alternativas [de energia verde] é utilizar a energia elétrica gerada por parques solares e eólicos para produção de H2 via eletrólise da água, que pode ser alimentado diretamente na rede de gás já existente, utilizada para mobilidade, ou convertida com uma fonte externa de carbono em outros produtos químicos e combustíveis, como metano e metanol. Dessa forma, é possível mitigar o problema da intermitência na rede elétrica e, ao mesmo tempo, reciclar CO2 biogénico ou não biogénico em produtos valiosos (OLAH, 2005).
Uma vantagem do metanol é que em condições ambientais é um líquido e, portanto, possui uma densidade de energia volumétrica muito maior do que o metano e o hidrogénio (OLAH, 2005), para além dos menores problemas de segurança para seu uso e transporte. Além disso, o metanol é uma das matérias-primas mais importantes para outras commodities químicas, com mais de 20 milhões de toneladas produzidas anualmente (Fiedler et al., 2012).
As principais questões a serem aprimoradas em reatores catalíticos industriais para hidrogenação de CO2 em metanol são o aproveitamento do calor libertado pela reação (que é parcialmente perdido) e os custos operacionais devido à compressão da corrente reagente (Gotz et al., 2016). Além disso, sob altas temperaturas começa-se a sofrer problemas de seletividade, o que prejudica a viabilidade económica da sua produção.
(...) A produção de metanol ocorre por meio de um mecanismo complexo, exaustivamente já discutido (Graaf et al., 1986, Graaf et al., 1988), que é, à semelhança do metano (Burger et al., 2021), por via da adsorção competitiva de CO e CO2, descrita em três reações principais: hidrogenação de CO2 a metanol (Eq. (1)); a reação de deslocamento reverso água-gás (RWGS) (Eq. (2)); e hidrogenaçãode CO a metanol (Eq. (3)) (Portha et al., 2017):
Como as reações responsáveis pela produção do metanol (Eqs. (1) e (3)) promovem diminuição do número de moles gasosos e são exotérmicas, o processo é termodinamicamente favorável para operar em altas pressões e baixas temperaturas. (...) No entanto, se a temperatura for muito baixa, a cinética pode ser prejudicada, resultando em menores rendimentos de metanol.
Para contornar a cinética fraca e beneficiar com operação de alta pressão, um reator de membrana (MR) que remove vapor ao longo do leito catalítico pode ser considerado. A remoção de vapor in situ por permeação desloca a reação para o lado dos produtos (Eq. (1)), conseguindo assim conversões maiores do que as obtidas com um reator tradicional (TR) (Palma et al., 2020, Raso et al. , 2020), que é fortemente limitado pelo equilíbrio químico (Miguel et al., 2015). Além disso, a desativação do catalisador pode ser evitada removendo o vapor do meio de reação e espera-se que a vida útil do catalisador seja estendida (Kampen et al., 2019), diminuindo assim o custo operacional do processo (OPEX). Além disso, a gestão de calor também é melhorada pela remoção de calor neste processo exotérmico através do fluxo de permeado.