Quando os biocombustíveis (também chamados de biocombustíveis) surgiram, eles eram considerados um tipo de energia renovável,[9]​ mas posteriormente foi constatado que este não é o caso.[10]​

Em princípio, são neutros em carbono porque o dióxido de carbono emitido ao serem queimados foi previamente retirado da atmosfera quando cresce a planta da qual o biocombustível é extraído.[11]​[12]​ No entanto, para calcular rigorosamente as emissões líquidas de um biocombustível, devemos também levar em conta aquelas produzidas ao cultivar essa planta e processá-la até a obtenção do produto final.[10]​.

Os combustíveis neutros em carbono fabricados pela combinação do hidrogênio obtido por eletrólise com o dióxido de carbono que é subtraído do meio também são chamados de "geração 4G de gasolina"[13]​ (embora tecnicamente nem todos sejam gasolina). O 1G eram os biocombustíveis, mas desviaram terras para culturas alimentares e aumentaram os preços[13]​ ou depreciaram o ambiente (óleo de palma). O 2G utilizou restos florestais, mas não foi rentável. O 3G utilizou algas como fonte de matéria orgânica, mas também não conseguiu decolar,[13]​ embora para diferentes usos o cultivo de algas tenha se tornado lucrativo.[14]​.

Se os combustíveis neutros em carbono substituíssem os combustíveis fósseis, ou fossem produzidos a partir de dióxido de carbono residual ou ácido carbónico na água do mar, e utilizados com captura de carbono na chaminé ou no tubo de escape, então resultariam em emissões negativas de dióxido de carbono e na remoção líquida de dióxido de carbono da atmosfera. Constituiriam, portanto, uma forma de mitigação das alterações climáticas.[15][16][17][18] Mas em 2020, a captura e armazenamento de dióxido de carbono a partir de um veículo movido a combustível ainda não é viável, nem a captura e armazenamento de carbono são vistos como a solução para o aquecimento global.[19] Seria viável, porém, por exemplo, fabricar metano sintético com energia renovável, queimá-lo em uma usina de ciclo combinado e capturar e armazenar os gases produzidos. Em operação contínua, seria ineficiente em comparação com o aproveitamento direto das energias renováveis. Mas se a energia renovável for utilizada quando estiver disponível (vento quando o vento sopra, por exemplo) para fabricar combustível sintético e armazená-lo, esse combustível poderá então ser utilizado quando a energia renovável não estiver disponível (quando o vento não sopra, continuando com o exemplo).[20]​.

Esse esquema de energia para combustível e combustível negativo em carbono pode ser realizado pela eletrólise da água para produzir hidrogênio. Através da reação de Sabatier pode-se obter metano, que pode ser armazenado (também é possível armazenar hidrogênio diretamente, mas pode ser mais caro) para ser utilizado posteriormente em usinas de energia (na forma de gás natural sintético, com propriedades semelhantes ao extraído de jazidas), transportado por gasoduto, caminhão-tanque ou navio-tanque de metano, ou utilizado em processos de conversão de gás natural em combustíveis líquidos, como o processo Fischer-Tropsch, e assim obter combustíveis com propriedades análogas às dos convencionais para transporte. ou aquecimento.[21]​[22]​[23]​.

Outro processo de obtenção de combustíveis sintéticos é o Pott-Broche (liquefação direta do carvão), mas não é neutro nas emissões, antes as aumenta.

Tal como os biocombustíveis normais, os combustíveis sintéticos só são negativos em carbono (ou seja, apenas reduzem a quantidade de gases com efeito de estufa na atmosfera) desde que não sejam utilizados. Mas é claro que eles não serão fabricados para não serem utilizados. Quando queimados, o carbono que contêm é emitido de volta para a atmosfera na forma de dióxido de carbono, anulando o benefício ambiental. Desta forma, o tempo entre a produção do combustível e a sua combustão (tempo que o dióxido de carbono permanece armazenado, e não na atmosfera, elevando a temperatura do planeta) pode ser bastante curto (muito inferior aos 100 anos de armazenamento estabelecidos pelo Protocolo de Quioto para projetos de florestação ou reflorestamento. Ainda mais curto do que o armazenamento subterrâneo de carbono.[24]​.

Os combustíveis neutros em carbono são utilizados na Alemanha e na Islândia para o armazenamento distribuído de energia renovável, minimizando os problemas de intermitência da energia solar ou eólica e permitindo a transmissão (na forma de gás natural) dessas energias através dos gasodutos existentes.[25] Estes combustíveis renováveis ​​poderiam aliviar os custos e a dependência causados ​​pelos combustíveis fósseis importados sem exigir a eletrificação da frota de veículos ou a sua adaptação para funcionar com hidrogénio ou outros combustíveis.[21] Para isso, é necessário construir todas as fábricas (ainda caras)[26]​ para a produção destes combustíveis sintéticos que fornecem os milhões de litros de combustíveis fósseis que são actualmente consumidos. Não está claro se isso será mais barato do que eletrificar a frota de veículos. Uma central de metano sintético de 250 kW foi construída na Alemanha e está a ser ampliada para 10 MW.[27] Várias tecnologias para captura direta de dióxido de carbono e conversão em combustíveis estão avançando rapidamente e reduzindo custos.[28]

Os créditos de carbono também poderiam desempenhar um papel importante para os combustíveis com carbono negativo, financiando-os se forem realmente implementados.[29]​.

Uma parte dos combustíveis neutros em carbono são hidrocarbonetos sintéticos. Eles podem ser produzidos a partir de reações químicas entre o dióxido de carbono (capturado nas chaminés das usinas termelétricas ou diretamente do ar) e o hidrogênio, que é produzido pela eletrólise da água por meio de energia renovável. Esses combustíveis, às vezes chamados de eletrocombustíveis ou eletrocombustíveis, armazenam a energia que foi usada para produzir o hidrogênio.[30] Também é possível recuperar esta energia combinando diretamente hidrogénio com oxigénio numa célula de combustível. O carvão também pode ser usado como fonte de carbono que se combina com o hidrogênio, mas esse processo não seria neutro em carbono.

Armazenar energia renovável em combustíveis com emissão zero é apenas uma forma de armazenamento de energia. Existem muitos outros, com vários custos de instalação, custos de operação, desempenho (percentagem da energia armazenada que permitem recuperar), perigo, capacidade (megawatts-hora que podem armazenar) ou potência (velocidade com que conseguem absorver a energia que lhes é introduzida, e velocidade com que a podem libertar, não necessariamente iguais),[31]​ para citar apenas alguns parâmetros, que também mudam ao longo do tempo devido ao progresso tecnológico. Devido a isto, a solução ideal de armazenamento de energia para uma empresa, uma região ou um país pode não ser uma única tecnologia, mas uma combinação estudada de várias.

Teoricamente, o dióxido de carbono pode ser capturado e enterrado, tornando os combustíveis fósseis neutros em carbono, embora não renováveis. Se o dióxido de carbono for capturado a partir da exaustão do combustível sintético, todo o processo teoricamente resultará em emissões negativas. Na prática, a captura consome muita energia e a estabilidade do dióxido de carbono armazenado não está tecnologicamente resolvida.[19] Também é possível fracionar hidrocarbonetos de cadeia longa para produzir hidrogénio e dióxido de carbono, que poderiam então ser armazenados, enquanto o hidrogénio seria utilizado para energia ou combustível. Este método também seria neutro em carbono.[32]​.

O hidrogênio é o combustível sintético que pode ser produzido com maior eficiência energética e com o mínimo de etapas. Pode então ser usado em veículos com células de combustível,[33]​ embora seja 3 vezes menos eficiente do que a propulsão de veículos totalmente elétricos usando baterias.[34]​.

Existem mais alguns combustíveis que podem ser produzidos a partir do hidrogênio. Por exemplo, o ácido fórmico (CHO) pode ser produzido pela reação do hidrogênio com CO. O ácido combinado com mais CO pode formar isobutanol.[35]​.

O metanol pode ser produzido pela reação de uma molécula de dióxido de carbono com 3 hidrogênio para produzir metanol e água. A energia armazenada pode ser recuperada queimando o metanol num motor de combustão, libertando dióxido de carbono, água e calor. Com uma reação semelhante, o metano pode ser produzido. Devem ser tomadas precauções especiais para evitar que algum metano escape para a atmosfera durante a produção ou transporte até ao seu destino final, porque o seu potencial de aquecimento global é 21 vezes maior que o do CO.

Mais energia pode ser usada para combinar metanol ou metano em hidrocarbonetos combustíveis de cadeia mais longa,[21][33]​ como o etanol[36]​.

Os pesquisadores também sugeriram o uso de metanol para produzir éter dimetílico (CHO). Este combustível pode ser utilizado como substituto do diesel devido à sua capacidade de autoignição em altas temperaturas e pressões. Em algumas áreas já está a ser utilizado para aquecimento e geração de energia. Não é tóxico, mas deve ser armazenado sob pressão.[37]​.

Todos os hidrocarbonetos sintéticos são geralmente produzidos a temperaturas de 200–300 °C e pressões de 20 a 50 bar. Catalisadores são normalmente usados ​​para melhorar a eficiência das diversas reações. Tais reações são endotérmicas em equilíbrio geral e utilizam aproximadamente 3 moles de hidrogênio por mol de dióxido de carbono. Eles também produzem grandes quantidades de água como subproduto.[5]​.

A fonte mais barata de dióxido de carbono para reciclar em combustíveis neutros em carbono são os gases de combustão de uma usina termelétrica de ciclo convencional, onde podem ser obtidos por cerca de 7,50 dólares americanos ($) por tonelada. No entanto, este processo não é neutro em carbono, porque este CO é de origem fóssil e, portanto, o CO é transferido da geosfera para a atmosfera. A captura de gases de escape de automóveis também tem sido considerada, em princípio, barata, mas exigiria extensas mudanças no design de novas unidades ou grandes adaptações daquelas já em serviço.[39] Outra fonte é o ácido carbônico dissolvido na água do mar: como está em equilíbrio químico com o dióxido de carbono atmosférico (isso significa que, se uma quantidade de CO for extraída da água do mar, a mesma quantidade passa naturalmente da atmosfera para o mar; e vice-versa: se o CO for emitido para a atmosfera, parte dele se dissolve no mar na forma de ácido carbônico, de modo que o mar está se tornando mais ácido à medida que o CO aumenta na atmosfera), a extração de CO da água do mar foi estudada. Os pesquisadores estimaram que essa extração custaria cerca de US$ 50 por tonelada.[8]​ A remoção de CO dos gases de refinaria também está sendo usada em projetos de fabricação de combustível com emissão zero.[4]​ A captura de dióxido de carbono diretamente do ar ambiente teve custos mais elevados em 2018, entre US$ 94 e US$ 232 por tonelada, e foi considerada impraticável para síntese de combustível ou captura e armazenamento de carbono.[40]​ Esta extração direta foi menos desenvolvida do que outros métodos. As propostas para este método envolvem o uso de um produto químico cáustico para reagir com o dióxido de carbono no ar e produzir carbonatos. Estes podem então ser decompostos para liberar CO puro como gás e regenerar o produto químico cáustico. Este processo requer mais energia do que outros métodos, porque o dióxido de carbono é encontrado na atmosfera em concentrações muito mais baixas do que em outras fontes.[21]​.

Os pesquisadores também sugeriram o uso de biomassa como fonte de dióxido de carbono para produzir combustíveis. Adicionar hidrogénio à biomassa reduziria (no sentido químico) o seu carbono e, como resultado, produziria combustíveis. Este método tem a vantagem de utilizar matérias-primas vegetais para capturar dióxido de carbono de forma barata. As plantas também adicionam alguma energia química ao combustível das moléculas biológicas. Este pode ser um uso mais eficiente da biomassa do que os biocombustíveis convencionais, porque utiliza toda a planta, enquanto os biocombustíveis tradicionais utilizam apenas parte dela (por exemplo, apenas a seiva é usada para produzir etanol a partir da cana-de-açúcar). A sua principal desvantagem é, tal como os biocombustíveis tradicionais, que as culturas destinadas a esta biomassa competem com aquelas destinadas à alimentação pela escassa terra disponível.[5]​ Esta desvantagem pode ser superada se a biomassa hidrogenada for proveniente de resíduos de uma cultura alimentar.

A energia eólica noturna é considerada a energia elétrica mais barata para sintetizar combustíveis, porque o perfil de carga da rede elétrica aumenta acentuadamente nos horários mais quentes do dia (que são os mais claros, quando há mais atividade), mas o vento tende a soprar um pouco mais à noite do que durante o dia. Portanto, o preço da energia eólica noturna costuma ser muito mais barato do que qualquer outra. Os preços da energia eólica fora do horário de pico em áreas de alta penetração eólica dos EUA foram em média 1,64 centavos por quilowatt-hora (kWh) em 2009, mas apenas 0,71 centavos/kWh durante as 6 horas mais baratas do dia. (unidade)") excede US$ 55.[42]​.

Em 2010, uma equipe de químicos liderada por Heather Willauer, da Marinha dos Estados Unidos, estimou que 100 megawatts (MW) de eletricidade podem produzir 160 metros cúbicos (m³, 41.000 galões americanos) de querosene de reator por dia, e que a produção a bordo de um navio equipado com um reator nuclear para propulsão custaria cerca de US$ 1.600/m³ (6 US$/galão). Embora este preço fosse aproximadamente o dobro do custo do querosene proveniente do petróleo em 2010, esperava-se que fosse inferior ao que custaria em 2015 se as tendências do mercado continuassem em 2010 (então isso não aconteceu e o preço do petróleo caiu). Além disso, como o fornecimento de combustível a um porta-aviões e aos seus navios auxiliares custa cerca de 2.100 dólares/m³ (8 dólares/galão), a produção de querosene a bordo é agora muito menos dispendiosa.

Willauer afirmou que a água do mar é a "melhor opção" como fonte de querosene sintético. Em abril de 2014, a equipe de Willauer ainda não havia conseguido produzir combustível de acordo com o padrão exigido para aeronaves militares, mas em setembro de 2013 eles conseguiram alimentar uma aeronave em miniatura controlada por rádio movida por um motor de combustão interna de dois tempos. Como o processo requer muita eletricidade, se lançado seria para um porta-aviões nuclear dos EUA (classe Nimitz ou classe Gerald R. Ford).[48] A Marinha dos EUA espera implantar esta tecnologia na década 2020-2030.

Uma planta de síntese de metano de 250 kW foi construída no Centro de Pesquisa de Energia Solar e Hidrogênio (ZSW) da Fraunhofer-Gesellschaft em Baden-Württemberg, Alemanha, e começou a operar em 2010. Esperava-se que ela aumentasse para 10 MW no outono de 2012.[49]​[50]​.

Desde 2011, a fábrica de reciclagem de dióxido de carbono George A. Olah, operada pela Carbon Recycling International em Grindavík, Islândia, produziu 2 milhões de litros por ano de metanol como combustível para veículos utilizando gases de escape da central térmica de Svartsengi.[51] Tem capacidade para 5 milhões de litros por ano.

A Audi construiu uma planta de liquefação de gás natural neutra em carbono em Werlte, Alemanha.[52] A planta tem como objetivo produzir combustível de transporte para compensar o gás natural liquefeito (GNL) usado em seus carros Un3 Sportback g-tron. Esta planta pode manter 2.800 toneladas de CO fora da atmosfera por ano em sua capacidade inicial.[53]​.

Columbia (Carolina do Sul),[54]​ Camarillo (Califórnia)[55]​ e Darlington (Inglaterra),[56]​ abrigam empreendimentos comerciais. Um projeto de demonstração em Berkeley, Califórnia, propõe sintetizar combustíveis e gorduras alimentares a partir de gases de escape.[57]​.

Os combustíveis neutros em carbono podem ajudar a prevenir o aumento do efeito estufa (quanto maior for a quantidade de dióxido de carbono na atmosfera) porque podem evitar a queima de combustíveis fósseis. Por exemplo, se o hidrogénio for produzido quando a energia renovável é abundante[58]​ e, quando escassa, for queimado numa turbina elétrica, pode-se evitar o recurso a uma central de gás natural fóssil, o que aumenta a quantidade de CO na atmosfera. Se o CO emitido pelas centrais térmicas fosse capturado, não aumentaria o CO na atmosfera, mas quando os combustíveis sintéticos fabricados com esse CO capturado fossem queimados nos veículos, o CO na atmosfera aumentaria, porque não existe uma forma económica de capturar as emissões dos veículos.[21] A captura de centrais eléctricas é possível, mas muito cara, e é mais rentável substituí-las por energias renováveis.[59] Em 2012, foi avaliado que a maioria das centrais térmicas a carvão e a gás natural podem ser equipadas de forma viável com filtros de CO (purificadores) para captura de carbono e, assim, reciclar os gases de escape ou armazenar o CO no subsolo.[16] Em 2012, esperava-se não só que esta reciclagem custasse menos do que os impactos económicos do aquecimento global causado pelo efeito de estufa, mas que produzisse combustíveis mais baratos do que os combustíveis fósseis, devido ao crescimento da procura global de combustíveis e ao esperado pico do petróleo que deveria aumentar os preços do petróleo e do gás natural fungível.[15]​[17]​ Mas o declínio acentuado nos preços das energias renováveis ​​tornou esta avaliação errada. Em 2019, muitos países já estabeleceram 2050 como o prazo para o qual o seu balanço de emissões de gases com efeito de estufa deve ser zero.[60]​ Para conseguir isto, toda a tecnologia que atualmente gera emissões e para a qual existe uma alternativa livre de emissões deve ser substituída. As poucas emissões restantes serão compensadas.[61]​.

Capturar CO2 do ar ou da água do mar com energia renovável para sintetizar combustíveis que seriam então queimados em veículos criaria um ciclo fechado de carbono. Numa escala suficiente, esta captura eliminaria totalmente a necessidade de combustíveis fósseis, assumindo que havia energia renovável suficiente disponível. Por outro lado, o uso de hidrocarbonetos sintéticos para produzir materiais como plásticos poderia resultar em uma redução permanente do CO atmosférico.[21]​.

Combustíveis tradicionais, metanol ou etanol

Algumas autoridades recomendaram a produção de metanol em vez dos combustíveis tradicionais para transporte (gasolina e diesel). O metanol é líquido em temperaturas normais e tóxico se ingerido. Possui índice de octanas mais alto que a gasolina, mas menor densidade energética, podendo ser misturado com alguns combustíveis (por exemplo, a própria gasolina) ou usado puro. Em ambos os casos o motor deve ser concebido para aceitar esse combustível; Alimentar com metanol um motor projetado para gasolina irá arruiná-lo.

O metanol também pode ser utilizado na produção de hidrocarbonetos e polímeros mais complexos. Células de combustível de metanol direto foram desenvolvidas pelo Laboratório de Propulsão a Jato da Califórnia para converter metanol e oxigênio em eletricidade. É possível converter metanol em gasolina, querosene ou outros hidrocarbonetos, mas isso requer energia adicional e instalações de produção mais complexas.[21] O metanol é um pouco mais corrosivo que os combustíveis tradicionais, portanto, usá-lo em um automóvel a gasolina adaptável requer modificações da ordem de US$ 100.[5]​.

Em 2016, foi desenvolvido um método que utiliza nitrogênio, espículas de carbono e nanopartículas de cobre para converter dióxido de carbono em etanol, com propriedades semelhantes às do metanol.[62]​.

Microalgas

As microalgas são uma fonte potencial de combustíveis neutros em carbono, mas os esforços para aproveitar este potencial ainda não deram frutos. São organismos aquáticos unicelulares que vivem em um grupo grande e diversificado e não possuem estruturas celulares complexas, ao contrário das plantas multicelulares. Porém, ainda são fotoautotróficos, capazes de utilizar a energia solar para converter algumas substâncias em outras por meio da fotossíntese. Eles são normalmente encontrados em sistemas de água doce e salgada, e aproximadamente 50.000 espécies foram encontradas.[63]​.

Foi previsto (mas ainda não se sabe) que as microalgas serão um bom substituto para o petróleo para as necessidades de combustível na era do aquecimento global. As microalgas convertem CO em biomassa a um ritmo mais rápido[64]​ do que as culturas terrestres de biocombustíveis, e também não competem por terras agrícolas, mas é mais complicado colhê-las.

Portanto, o interesse no cultivo de microalgas tem aumentado nos últimos anos. São vistos como potenciais matérias-primas para a produção de biocombustíveis devido à sua capacidade de produzir polissacarídeos e triglicerídeos (açúcares e gorduras), que são precursores do bioetanol e do biodiesel.[65] As microalgas também podem ser utilizadas na alimentação do gado devido às suas proteínas. Além disso, algumas espécies de microalgas produzem compostos valiosos, como pigmentos ou medicamentos.[64]​ Em 2020, uma empresa produtora de microalgas, que aproveita parte do CO emitido por uma central de ciclo combinado, está a duplicar o seu volume de negócios anualmente, mas não produz biocombustíveis, como inicialmente planeado (essa linha de negócio não teve sucesso), mas sim fertilizantes.[14]​.

As duas principais formas de cultivo de microalgas são lagoas de fluxo e fotobiorreatores. Essas lagoas consistem em um canal oval com uma roda de pás para circular a água e evitar a sedimentação. O canal está aberto ao ar e sua profundidade varia entre 0,25 e 0,4 m (0,82–1,31 pés).[65] É necessário que o canal seja raso porque o auto-sombreamento (as algas nas camadas superiores removem a luz das camadas inferiores) e a absorção da luz pela água podem limitar a penetração da luz solar (da qual as algas se alimentam) no meio de cultivo.

Um fotobiorreator é composto por um conjunto de tubos transparentes fechados, com um tanque central que conduz o líquido. É mais fácil de gerir do que uma lagoa de fluxo contínuo, mas os seus custos globais de produção são mais elevados.[66]​.

As emissões de gases de efeito estufa (GEE) provenientes da produção de combustível de microalgas podem ser comparadas às emissões da produção convencional de biocombustíveis. As emissões provenientes da produção de combustíveis com microalgas em fotobiorreatores poderiam ultrapassar as emissões do diesel fóssil convencional, o que significa que esta forma de produção não faria sentido se o que queremos é reduzir as emissões. A ineficiência se deve à quantidade de eletricidade usada para bombear o meio de cultivo por todo o sistema. Utilizar subprodutos agrícolas ou energias renováveis ​​para gerar eletricidade são estratégias que podem melhorar o balanço total de emissões. O impacto ambiental da gestão da água e dos nutrientes das algas também deve ser levado em consideração. Mas, em geral, as lagoas de fluxo contínuo proporcionam um melhor equilíbrio de emissões do que os fotobiorreatores.[14]​.

Os custos de produção de biocombustíveis através do cultivo de microalgas em lagoas de fluxo contínuo são dominados pelos custos operacionais, que incluem mão-de-obra, matérias-primas, água e electricidade. Nessas lagoas, durante o processo de cultivo, a eletricidade representa a maior parte (22 a 79%) das necessidades totais de energia.[65]​ É usada para manter a circulação da cultura de microalgas. Por outro lado, se forem utilizados fotobiorreatores, o custo de capital domina. O uso de fotobiorreatores envolve altos custos de construção, mas custos operacionais mais baixos do que lagoas.[14]​.

A produção de biocombustíveis com microalgas custou muito mais dinheiro em 2011 (cerca de US$ 3,1/litro ou US$ 11,57/galão),[67]​ do que a produção de combustíveis com petróleo (US$ 0,48/litro ou US$ 1,820/galão em outubro de 2018[68]​, de acordo com dados fornecidos pela Comissão de Energia da Califórnia. Essa relação de preços leva muitos a escolher combustíveis fósseis por razões econômicas, mesmo que isso cause um aumento nas emissões de dióxido de carbono. e outros gases de efeito estufa.

Vários impactos ambientais são conhecidos pelo cultivo de microalgas:

Na área onde é feito o cultivo pode haver uma demanda maior por água doce, pois as microalgas são organismos aquáticos. A água doce é usada para compensar a evaporação em lagoas de fluxo contínuo. Também é usado para refrigeração. A recirculação da água pode reduzir a necessidade deste líquido, mas representa um risco maior de infecção de microalgas ou de inibição do seu crescimento por bactérias, fungos ou vírus. Estes inibidores são encontrados em concentrações mais elevadas na água reciclada, juntamente com inibidores não patogénicos, tais como produtos químicos orgânicos e inorgânicos ou metabolitos resultantes da morte natural de algumas das microalgas cultivadas.

Muitas espécies de microalgas podem produzir toxinas (desde amônia até polissacarídeos e polipeptídeos fisiologicamente ativos) em algum momento do seu ciclo de vida. Estas toxinas podem ser produtos importantes e valiosos para suas aplicações em biomedicina, toxicologia e pesquisa química. No entanto, eles também podem produzir efeitos negativos. Essas toxinas podem ser agudas (liberadas em quantidade significativa em um determinado momento) ou crônicas (liberadas em pequenas concentrações ao longo da vida das algas). Um exemplo de toxina aguda é o envenenamento paralítico por marisco,[69]​ que pode causar a morte da pessoa que ingere o marisco contaminado. Um exemplo de toxina crônica são as lentas alterações ulcerativas e cancerígenas nos tecidos causadas pelas carrageninas tóxicas que produzem marés vermelhas. Dada a elevada variabilidade das toxinas produzidas pelas microalgas, num tanque onde são cultivadas nem sempre é possível prever a presença ou ausência de toxinas. Tudo depende do ambiente e das condições do ecossistema.[66]​.

Água e dióxido de carbono diesel

A Audi co-desenvolveu o E-diesel, um combustível neutro em carbono com alto índice de cetano. Também está trabalhando na gasolina E, fabricada através de um processo semelhante.[70]​.

A água é eletrolisada em alta temperatura para produzir gases hidrogênio e oxigênio. A energia necessária é extraída de fontes renováveis, como a eólica. O hidrogênio reage então com dióxido de carbono comprimido capturado diretamente do ar. A reação produz o chamado “petróleo bruto azul” (na verdade é um líquido transparente; é chamado assim para contrastar sua diferença com o petróleo, que é preto ou marrom muito escuro), composto por hidrocarbonetos. O petróleo bruto azul é então refinado para produzir E-diesel altamente eficiente.[71]​[72]​ No entanto, este método ainda é discutível, porque com a capacidade de produção atual apenas 3.000 litros podem ser fabricados em poucos meses, 0,0002% da produção diária de combustível nos EUA.[73]​ Além disso, a viabilidade termodinâmica e económica desta tecnologia tem sido questionada. Um artigo sugere que esta tecnologia não cria uma alternativa aos combustíveis fósseis, mas simplesmente converte energia renovável em combustível líquido. O artigo também afirma que para obter um litro de E-diesel é necessária 18 vezes mais energia do que para obter um litro de diesel fóssil convencional.[74]​.

A pesquisa sobre combustíveis neutros em carbono está em andamento há décadas. Um relatório de 1965 sugeriu a síntese de metanol a partir do dióxido de carbono no ar e da energia nuclear para criar uma instalação móvel de abastecimento.[75] A produção de combustível sintético a bordo de navios movidos a energia nuclear foi estudada em 1977 e 1995.[76][77] Um relatório de 1984 estudou a captura de dióxido de carbono de centrais térmicas e a sua conversão em combustível.[78] Um relatório de 1995 comparou a conversão de frotas de veículos para que pudessem usar metanol neutro em carbono com a síntese mais complicada da gasolina, mas que não exigiria qualquer adaptação dos veículos.[79]​.

Quando os biocombustíveis (também chamados de biocombustíveis) surgiram, eles eram considerados um tipo de energia renovável,[9]​ mas posteriormente foi constatado que este não é o caso.[10]​

Em princípio, são neutros em carbono porque o dióxido de carbono emitido ao serem queimados foi previamente retirado da atmosfera quando cresce a planta da qual o biocombustível é extraído.[11]​[12]​ No entanto, para calcular rigorosamente as emissões líquidas de um biocombustível, devemos também levar em conta aquelas produzidas ao cultivar essa planta e processá-la até a obtenção do produto final.[10]​.

Os combustíveis neutros em carbono fabricados pela combinação do hidrogênio obtido por eletrólise com o dióxido de carbono que é subtraído do meio também são chamados de "geração 4G de gasolina"[13]​ (embora tecnicamente nem todos sejam gasolina). O 1G eram os biocombustíveis, mas desviaram terras para culturas alimentares e aumentaram os preços[13]​ ou depreciaram o ambiente (óleo de palma). O 2G utilizou restos florestais, mas não foi rentável. O 3G utilizou algas como fonte de matéria orgânica, mas também não conseguiu decolar,[13]​ embora para diferentes usos o cultivo de algas tenha se tornado lucrativo.[14]​.

Se os combustíveis neutros em carbono substituíssem os combustíveis fósseis, ou fossem produzidos a partir de dióxido de carbono residual ou ácido carbónico na água do mar, e utilizados com captura de carbono na chaminé ou no tubo de escape, então resultariam em emissões negativas de dióxido de carbono e na remoção líquida de dióxido de carbono da atmosfera. Constituiriam, portanto, uma forma de mitigação das alterações climáticas.[15][16][17][18] Mas em 2020, a captura e armazenamento de dióxido de carbono a partir de um veículo movido a combustível ainda não é viável, nem a captura e armazenamento de carbono são vistos como a solução para o aquecimento global.[19] Seria viável, porém, por exemplo, fabricar metano sintético com energia renovável, queimá-lo em uma usina de ciclo combinado e capturar e armazenar os gases produzidos. Em operação contínua, seria ineficiente em comparação com o aproveitamento direto das energias renováveis. Mas se a energia renovável for utilizada quando estiver disponível (vento quando o vento sopra, por exemplo) para fabricar combustível sintético e armazená-lo, esse combustível poderá então ser utilizado quando a energia renovável não estiver disponível (quando o vento não sopra, continuando com o exemplo).[20]​.

Esse esquema de energia para combustível e combustível negativo em carbono pode ser realizado pela eletrólise da água para produzir hidrogênio. Através da reação de Sabatier pode-se obter metano, que pode ser armazenado (também é possível armazenar hidrogênio diretamente, mas pode ser mais caro) para ser utilizado posteriormente em usinas de energia (na forma de gás natural sintético, com propriedades semelhantes ao extraído de jazidas), transportado por gasoduto, caminhão-tanque ou navio-tanque de metano, ou utilizado em processos de conversão de gás natural em combustíveis líquidos, como o processo Fischer-Tropsch, e assim obter combustíveis com propriedades análogas às dos convencionais para transporte. ou aquecimento.[21]​[22]​[23]​.

Outro processo de obtenção de combustíveis sintéticos é o Pott-Broche (liquefação direta do carvão), mas não é neutro nas emissões, antes as aumenta.

Tal como os biocombustíveis normais, os combustíveis sintéticos só são negativos em carbono (ou seja, apenas reduzem a quantidade de gases com efeito de estufa na atmosfera) desde que não sejam utilizados. Mas é claro que eles não serão fabricados para não serem utilizados. Quando queimados, o carbono que contêm é emitido de volta para a atmosfera na forma de dióxido de carbono, anulando o benefício ambiental. Desta forma, o tempo entre a produção do combustível e a sua combustão (tempo que o dióxido de carbono permanece armazenado, e não na atmosfera, elevando a temperatura do planeta) pode ser bastante curto (muito inferior aos 100 anos de armazenamento estabelecidos pelo Protocolo de Quioto para projetos de florestação ou reflorestamento. Ainda mais curto do que o armazenamento subterrâneo de carbono.[24]​.

Os combustíveis neutros em carbono são utilizados na Alemanha e na Islândia para o armazenamento distribuído de energia renovável, minimizando os problemas de intermitência da energia solar ou eólica e permitindo a transmissão (na forma de gás natural) dessas energias através dos gasodutos existentes.[25] Estes combustíveis renováveis ​​poderiam aliviar os custos e a dependência causados ​​pelos combustíveis fósseis importados sem exigir a eletrificação da frota de veículos ou a sua adaptação para funcionar com hidrogénio ou outros combustíveis.[21] Para isso, é necessário construir todas as fábricas (ainda caras)[26]​ para a produção destes combustíveis sintéticos que fornecem os milhões de litros de combustíveis fósseis que são actualmente consumidos. Não está claro se isso será mais barato do que eletrificar a frota de veículos. Uma central de metano sintético de 250 kW foi construída na Alemanha e está a ser ampliada para 10 MW.[27] Várias tecnologias para captura direta de dióxido de carbono e conversão em combustíveis estão avançando rapidamente e reduzindo custos.[28]

Os créditos de carbono também poderiam desempenhar um papel importante para os combustíveis com carbono negativo, financiando-os se forem realmente implementados.[29]​.

Uma parte dos combustíveis neutros em carbono são hidrocarbonetos sintéticos. Eles podem ser produzidos a partir de reações químicas entre o dióxido de carbono (capturado nas chaminés das usinas termelétricas ou diretamente do ar) e o hidrogênio, que é produzido pela eletrólise da água por meio de energia renovável. Esses combustíveis, às vezes chamados de eletrocombustíveis ou eletrocombustíveis, armazenam a energia que foi usada para produzir o hidrogênio.[30] Também é possível recuperar esta energia combinando diretamente hidrogénio com oxigénio numa célula de combustível. O carvão também pode ser usado como fonte de carbono que se combina com o hidrogênio, mas esse processo não seria neutro em carbono.

Armazenar energia renovável em combustíveis com emissão zero é apenas uma forma de armazenamento de energia. Existem muitos outros, com vários custos de instalação, custos de operação, desempenho (percentagem da energia armazenada que permitem recuperar), perigo, capacidade (megawatts-hora que podem armazenar) ou potência (velocidade com que conseguem absorver a energia que lhes é introduzida, e velocidade com que a podem libertar, não necessariamente iguais),[31]​ para citar apenas alguns parâmetros, que também mudam ao longo do tempo devido ao progresso tecnológico. Devido a isto, a solução ideal de armazenamento de energia para uma empresa, uma região ou um país pode não ser uma única tecnologia, mas uma combinação estudada de várias.

Teoricamente, o dióxido de carbono pode ser capturado e enterrado, tornando os combustíveis fósseis neutros em carbono, embora não renováveis. Se o dióxido de carbono for capturado a partir da exaustão do combustível sintético, todo o processo teoricamente resultará em emissões negativas. Na prática, a captura consome muita energia e a estabilidade do dióxido de carbono armazenado não está tecnologicamente resolvida.[19] Também é possível fracionar hidrocarbonetos de cadeia longa para produzir hidrogénio e dióxido de carbono, que poderiam então ser armazenados, enquanto o hidrogénio seria utilizado para energia ou combustível. Este método também seria neutro em carbono.[32]​.

O hidrogênio é o combustível sintético que pode ser produzido com maior eficiência energética e com o mínimo de etapas. Pode então ser usado em veículos com células de combustível,[33]​ embora seja 3 vezes menos eficiente do que a propulsão de veículos totalmente elétricos usando baterias.[34]​.

Existem mais alguns combustíveis que podem ser produzidos a partir do hidrogênio. Por exemplo, o ácido fórmico (CHO) pode ser produzido pela reação do hidrogênio com CO. O ácido combinado com mais CO pode formar isobutanol.[35]​.

O metanol pode ser produzido pela reação de uma molécula de dióxido de carbono com 3 hidrogênio para produzir metanol e água. A energia armazenada pode ser recuperada queimando o metanol num motor de combustão, libertando dióxido de carbono, água e calor. Com uma reação semelhante, o metano pode ser produzido. Devem ser tomadas precauções especiais para evitar que algum metano escape para a atmosfera durante a produção ou transporte até ao seu destino final, porque o seu potencial de aquecimento global é 21 vezes maior que o do CO.

Mais energia pode ser usada para combinar metanol ou metano em hidrocarbonetos combustíveis de cadeia mais longa,[21][33]​ como o etanol[36]​.

Os pesquisadores também sugeriram o uso de metanol para produzir éter dimetílico (CHO). Este combustível pode ser utilizado como substituto do diesel devido à sua capacidade de autoignição em altas temperaturas e pressões. Em algumas áreas já está a ser utilizado para aquecimento e geração de energia. Não é tóxico, mas deve ser armazenado sob pressão.[37]​.

Todos os hidrocarbonetos sintéticos são geralmente produzidos a temperaturas de 200–300 °C e pressões de 20 a 50 bar. Catalisadores são normalmente usados ​​para melhorar a eficiência das diversas reações. Tais reações são endotérmicas em equilíbrio geral e utilizam aproximadamente 3 moles de hidrogênio por mol de dióxido de carbono. Eles também produzem grandes quantidades de água como subproduto.[5]​.

A fonte mais barata de dióxido de carbono para reciclar em combustíveis neutros em carbono são os gases de combustão de uma usina termelétrica de ciclo convencional, onde podem ser obtidos por cerca de 7,50 dólares americanos ($) por tonelada. No entanto, este processo não é neutro em carbono, porque este CO é de origem fóssil e, portanto, o CO é transferido da geosfera para a atmosfera. A captura de gases de escape de automóveis também tem sido considerada, em princípio, barata, mas exigiria extensas mudanças no design de novas unidades ou grandes adaptações daquelas já em serviço.[39] Outra fonte é o ácido carbônico dissolvido na água do mar: como está em equilíbrio químico com o dióxido de carbono atmosférico (isso significa que, se uma quantidade de CO for extraída da água do mar, a mesma quantidade passa naturalmente da atmosfera para o mar; e vice-versa: se o CO for emitido para a atmosfera, parte dele se dissolve no mar na forma de ácido carbônico, de modo que o mar está se tornando mais ácido à medida que o CO aumenta na atmosfera), a extração de CO da água do mar foi estudada. Os pesquisadores estimaram que essa extração custaria cerca de US$ 50 por tonelada.[8]​ A remoção de CO dos gases de refinaria também está sendo usada em projetos de fabricação de combustível com emissão zero.[4]​ A captura de dióxido de carbono diretamente do ar ambiente teve custos mais elevados em 2018, entre US$ 94 e US$ 232 por tonelada, e foi considerada impraticável para síntese de combustível ou captura e armazenamento de carbono.[40]​ Esta extração direta foi menos desenvolvida do que outros métodos. As propostas para este método envolvem o uso de um produto químico cáustico para reagir com o dióxido de carbono no ar e produzir carbonatos. Estes podem então ser decompostos para liberar CO puro como gás e regenerar o produto químico cáustico. Este processo requer mais energia do que outros métodos, porque o dióxido de carbono é encontrado na atmosfera em concentrações muito mais baixas do que em outras fontes.[21]​.

Os pesquisadores também sugeriram o uso de biomassa como fonte de dióxido de carbono para produzir combustíveis. Adicionar hidrogénio à biomassa reduziria (no sentido químico) o seu carbono e, como resultado, produziria combustíveis. Este método tem a vantagem de utilizar matérias-primas vegetais para capturar dióxido de carbono de forma barata. As plantas também adicionam alguma energia química ao combustível das moléculas biológicas. Este pode ser um uso mais eficiente da biomassa do que os biocombustíveis convencionais, porque utiliza toda a planta, enquanto os biocombustíveis tradicionais utilizam apenas parte dela (por exemplo, apenas a seiva é usada para produzir etanol a partir da cana-de-açúcar). A sua principal desvantagem é, tal como os biocombustíveis tradicionais, que as culturas destinadas a esta biomassa competem com aquelas destinadas à alimentação pela escassa terra disponível.[5]​ Esta desvantagem pode ser superada se a biomassa hidrogenada for proveniente de resíduos de uma cultura alimentar.

A energia eólica noturna é considerada a energia elétrica mais barata para sintetizar combustíveis, porque o perfil de carga da rede elétrica aumenta acentuadamente nos horários mais quentes do dia (que são os mais claros, quando há mais atividade), mas o vento tende a soprar um pouco mais à noite do que durante o dia. Portanto, o preço da energia eólica noturna costuma ser muito mais barato do que qualquer outra. Os preços da energia eólica fora do horário de pico em áreas de alta penetração eólica dos EUA foram em média 1,64 centavos por quilowatt-hora (kWh) em 2009, mas apenas 0,71 centavos/kWh durante as 6 horas mais baratas do dia. (unidade)") excede US$ 55.[42]​.

Em 2010, uma equipe de químicos liderada por Heather Willauer, da Marinha dos Estados Unidos, estimou que 100 megawatts (MW) de eletricidade podem produzir 160 metros cúbicos (m³, 41.000 galões americanos) de querosene de reator por dia, e que a produção a bordo de um navio equipado com um reator nuclear para propulsão custaria cerca de US$ 1.600/m³ (6 US$/galão). Embora este preço fosse aproximadamente o dobro do custo do querosene proveniente do petróleo em 2010, esperava-se que fosse inferior ao que custaria em 2015 se as tendências do mercado continuassem em 2010 (então isso não aconteceu e o preço do petróleo caiu). Além disso, como o fornecimento de combustível a um porta-aviões e aos seus navios auxiliares custa cerca de 2.100 dólares/m³ (8 dólares/galão), a produção de querosene a bordo é agora muito menos dispendiosa.

Willauer afirmou que a água do mar é a "melhor opção" como fonte de querosene sintético. Em abril de 2014, a equipe de Willauer ainda não havia conseguido produzir combustível de acordo com o padrão exigido para aeronaves militares, mas em setembro de 2013 eles conseguiram alimentar uma aeronave em miniatura controlada por rádio movida por um motor de combustão interna de dois tempos. Como o processo requer muita eletricidade, se lançado seria para um porta-aviões nuclear dos EUA (classe Nimitz ou classe Gerald R. Ford).[48] A Marinha dos EUA espera implantar esta tecnologia na década 2020-2030.

Uma planta de síntese de metano de 250 kW foi construída no Centro de Pesquisa de Energia Solar e Hidrogênio (ZSW) da Fraunhofer-Gesellschaft em Baden-Württemberg, Alemanha, e começou a operar em 2010. Esperava-se que ela aumentasse para 10 MW no outono de 2012.[49]​[50]​.

Desde 2011, a fábrica de reciclagem de dióxido de carbono George A. Olah, operada pela Carbon Recycling International em Grindavík, Islândia, produziu 2 milhões de litros por ano de metanol como combustível para veículos utilizando gases de escape da central térmica de Svartsengi.[51] Tem capacidade para 5 milhões de litros por ano.

A Audi construiu uma planta de liquefação de gás natural neutra em carbono em Werlte, Alemanha.[52] A planta tem como objetivo produzir combustível de transporte para compensar o gás natural liquefeito (GNL) usado em seus carros Un3 Sportback g-tron. Esta planta pode manter 2.800 toneladas de CO fora da atmosfera por ano em sua capacidade inicial.[53]​.

Columbia (Carolina do Sul),[54]​ Camarillo (Califórnia)[55]​ e Darlington (Inglaterra),[56]​ abrigam empreendimentos comerciais. Um projeto de demonstração em Berkeley, Califórnia, propõe sintetizar combustíveis e gorduras alimentares a partir de gases de escape.[57]​.

Os combustíveis neutros em carbono podem ajudar a prevenir o aumento do efeito estufa (quanto maior for a quantidade de dióxido de carbono na atmosfera) porque podem evitar a queima de combustíveis fósseis. Por exemplo, se o hidrogénio for produzido quando a energia renovável é abundante[58]​ e, quando escassa, for queimado numa turbina elétrica, pode-se evitar o recurso a uma central de gás natural fóssil, o que aumenta a quantidade de CO na atmosfera. Se o CO emitido pelas centrais térmicas fosse capturado, não aumentaria o CO na atmosfera, mas quando os combustíveis sintéticos fabricados com esse CO capturado fossem queimados nos veículos, o CO na atmosfera aumentaria, porque não existe uma forma económica de capturar as emissões dos veículos.[21] A captura de centrais eléctricas é possível, mas muito cara, e é mais rentável substituí-las por energias renováveis.[59] Em 2012, foi avaliado que a maioria das centrais térmicas a carvão e a gás natural podem ser equipadas de forma viável com filtros de CO (purificadores) para captura de carbono e, assim, reciclar os gases de escape ou armazenar o CO no subsolo.[16] Em 2012, esperava-se não só que esta reciclagem custasse menos do que os impactos económicos do aquecimento global causado pelo efeito de estufa, mas que produzisse combustíveis mais baratos do que os combustíveis fósseis, devido ao crescimento da procura global de combustíveis e ao esperado pico do petróleo que deveria aumentar os preços do petróleo e do gás natural fungível.[15]​[17]​ Mas o declínio acentuado nos preços das energias renováveis ​​tornou esta avaliação errada. Em 2019, muitos países já estabeleceram 2050 como o prazo para o qual o seu balanço de emissões de gases com efeito de estufa deve ser zero.[60]​ Para conseguir isto, toda a tecnologia que atualmente gera emissões e para a qual existe uma alternativa livre de emissões deve ser substituída. As poucas emissões restantes serão compensadas.[61]​.

Capturar CO2 do ar ou da água do mar com energia renovável para sintetizar combustíveis que seriam então queimados em veículos criaria um ciclo fechado de carbono. Numa escala suficiente, esta captura eliminaria totalmente a necessidade de combustíveis fósseis, assumindo que havia energia renovável suficiente disponível. Por outro lado, o uso de hidrocarbonetos sintéticos para produzir materiais como plásticos poderia resultar em uma redução permanente do CO atmosférico.[21]​.

Combustíveis tradicionais, metanol ou etanol

Algumas autoridades recomendaram a produção de metanol em vez dos combustíveis tradicionais para transporte (gasolina e diesel). O metanol é líquido em temperaturas normais e tóxico se ingerido. Possui índice de octanas mais alto que a gasolina, mas menor densidade energética, podendo ser misturado com alguns combustíveis (por exemplo, a própria gasolina) ou usado puro. Em ambos os casos o motor deve ser concebido para aceitar esse combustível; Alimentar com metanol um motor projetado para gasolina irá arruiná-lo.

O metanol também pode ser utilizado na produção de hidrocarbonetos e polímeros mais complexos. Células de combustível de metanol direto foram desenvolvidas pelo Laboratório de Propulsão a Jato da Califórnia para converter metanol e oxigênio em eletricidade. É possível converter metanol em gasolina, querosene ou outros hidrocarbonetos, mas isso requer energia adicional e instalações de produção mais complexas.[21] O metanol é um pouco mais corrosivo que os combustíveis tradicionais, portanto, usá-lo em um automóvel a gasolina adaptável requer modificações da ordem de US$ 100.[5]​.

Em 2016, foi desenvolvido um método que utiliza nitrogênio, espículas de carbono e nanopartículas de cobre para converter dióxido de carbono em etanol, com propriedades semelhantes às do metanol.[62]​.

Microalgas

As microalgas são uma fonte potencial de combustíveis neutros em carbono, mas os esforços para aproveitar este potencial ainda não deram frutos. São organismos aquáticos unicelulares que vivem em um grupo grande e diversificado e não possuem estruturas celulares complexas, ao contrário das plantas multicelulares. Porém, ainda são fotoautotróficos, capazes de utilizar a energia solar para converter algumas substâncias em outras por meio da fotossíntese. Eles são normalmente encontrados em sistemas de água doce e salgada, e aproximadamente 50.000 espécies foram encontradas.[63]​.

Foi previsto (mas ainda não se sabe) que as microalgas serão um bom substituto para o petróleo para as necessidades de combustível na era do aquecimento global. As microalgas convertem CO em biomassa a um ritmo mais rápido[64]​ do que as culturas terrestres de biocombustíveis, e também não competem por terras agrícolas, mas é mais complicado colhê-las.

Portanto, o interesse no cultivo de microalgas tem aumentado nos últimos anos. São vistos como potenciais matérias-primas para a produção de biocombustíveis devido à sua capacidade de produzir polissacarídeos e triglicerídeos (açúcares e gorduras), que são precursores do bioetanol e do biodiesel.[65] As microalgas também podem ser utilizadas na alimentação do gado devido às suas proteínas. Além disso, algumas espécies de microalgas produzem compostos valiosos, como pigmentos ou medicamentos.[64]​ Em 2020, uma empresa produtora de microalgas, que aproveita parte do CO emitido por uma central de ciclo combinado, está a duplicar o seu volume de negócios anualmente, mas não produz biocombustíveis, como inicialmente planeado (essa linha de negócio não teve sucesso), mas sim fertilizantes.[14]​.

As duas principais formas de cultivo de microalgas são lagoas de fluxo e fotobiorreatores. Essas lagoas consistem em um canal oval com uma roda de pás para circular a água e evitar a sedimentação. O canal está aberto ao ar e sua profundidade varia entre 0,25 e 0,4 m (0,82–1,31 pés).[65] É necessário que o canal seja raso porque o auto-sombreamento (as algas nas camadas superiores removem a luz das camadas inferiores) e a absorção da luz pela água podem limitar a penetração da luz solar (da qual as algas se alimentam) no meio de cultivo.

Um fotobiorreator é composto por um conjunto de tubos transparentes fechados, com um tanque central que conduz o líquido. É mais fácil de gerir do que uma lagoa de fluxo contínuo, mas os seus custos globais de produção são mais elevados.[66]​.

As emissões de gases de efeito estufa (GEE) provenientes da produção de combustível de microalgas podem ser comparadas às emissões da produção convencional de biocombustíveis. As emissões provenientes da produção de combustíveis com microalgas em fotobiorreatores poderiam ultrapassar as emissões do diesel fóssil convencional, o que significa que esta forma de produção não faria sentido se o que queremos é reduzir as emissões. A ineficiência se deve à quantidade de eletricidade usada para bombear o meio de cultivo por todo o sistema. Utilizar subprodutos agrícolas ou energias renováveis ​​para gerar eletricidade são estratégias que podem melhorar o balanço total de emissões. O impacto ambiental da gestão da água e dos nutrientes das algas também deve ser levado em consideração. Mas, em geral, as lagoas de fluxo contínuo proporcionam um melhor equilíbrio de emissões do que os fotobiorreatores.[14]​.

Os custos de produção de biocombustíveis através do cultivo de microalgas em lagoas de fluxo contínuo são dominados pelos custos operacionais, que incluem mão-de-obra, matérias-primas, água e electricidade. Nessas lagoas, durante o processo de cultivo, a eletricidade representa a maior parte (22 a 79%) das necessidades totais de energia.[65]​ É usada para manter a circulação da cultura de microalgas. Por outro lado, se forem utilizados fotobiorreatores, o custo de capital domina. O uso de fotobiorreatores envolve altos custos de construção, mas custos operacionais mais baixos do que lagoas.[14]​.

A produção de biocombustíveis com microalgas custou muito mais dinheiro em 2011 (cerca de US$ 3,1/litro ou US$ 11,57/galão),[67]​ do que a produção de combustíveis com petróleo (US$ 0,48/litro ou US$ 1,820/galão em outubro de 2018[68]​, de acordo com dados fornecidos pela Comissão de Energia da Califórnia. Essa relação de preços leva muitos a escolher combustíveis fósseis por razões econômicas, mesmo que isso cause um aumento nas emissões de dióxido de carbono. e outros gases de efeito estufa.

Vários impactos ambientais são conhecidos pelo cultivo de microalgas:

Na área onde é feito o cultivo pode haver uma demanda maior por água doce, pois as microalgas são organismos aquáticos. A água doce é usada para compensar a evaporação em lagoas de fluxo contínuo. Também é usado para refrigeração. A recirculação da água pode reduzir a necessidade deste líquido, mas representa um risco maior de infecção de microalgas ou de inibição do seu crescimento por bactérias, fungos ou vírus. Estes inibidores são encontrados em concentrações mais elevadas na água reciclada, juntamente com inibidores não patogénicos, tais como produtos químicos orgânicos e inorgânicos ou metabolitos resultantes da morte natural de algumas das microalgas cultivadas.

Muitas espécies de microalgas podem produzir toxinas (desde amônia até polissacarídeos e polipeptídeos fisiologicamente ativos) em algum momento do seu ciclo de vida. Estas toxinas podem ser produtos importantes e valiosos para suas aplicações em biomedicina, toxicologia e pesquisa química. No entanto, eles também podem produzir efeitos negativos. Essas toxinas podem ser agudas (liberadas em quantidade significativa em um determinado momento) ou crônicas (liberadas em pequenas concentrações ao longo da vida das algas). Um exemplo de toxina aguda é o envenenamento paralítico por marisco,[69]​ que pode causar a morte da pessoa que ingere o marisco contaminado. Um exemplo de toxina crônica são as lentas alterações ulcerativas e cancerígenas nos tecidos causadas pelas carrageninas tóxicas que produzem marés vermelhas. Dada a elevada variabilidade das toxinas produzidas pelas microalgas, num tanque onde são cultivadas nem sempre é possível prever a presença ou ausência de toxinas. Tudo depende do ambiente e das condições do ecossistema.[66]​.

Água e dióxido de carbono diesel

A Audi co-desenvolveu o E-diesel, um combustível neutro em carbono com alto índice de cetano. Também está trabalhando na gasolina E, fabricada através de um processo semelhante.[70]​.

A água é eletrolisada em alta temperatura para produzir gases hidrogênio e oxigênio. A energia necessária é extraída de fontes renováveis, como a eólica. O hidrogênio reage então com dióxido de carbono comprimido capturado diretamente do ar. A reação produz o chamado “petróleo bruto azul” (na verdade é um líquido transparente; é chamado assim para contrastar sua diferença com o petróleo, que é preto ou marrom muito escuro), composto por hidrocarbonetos. O petróleo bruto azul é então refinado para produzir E-diesel altamente eficiente.[71]​[72]​ No entanto, este método ainda é discutível, porque com a capacidade de produção atual apenas 3.000 litros podem ser fabricados em poucos meses, 0,0002% da produção diária de combustível nos EUA.[73]​ Além disso, a viabilidade termodinâmica e económica desta tecnologia tem sido questionada. Um artigo sugere que esta tecnologia não cria uma alternativa aos combustíveis fósseis, mas simplesmente converte energia renovável em combustível líquido. O artigo também afirma que para obter um litro de E-diesel é necessária 18 vezes mais energia do que para obter um litro de diesel fóssil convencional.[74]​.

A pesquisa sobre combustíveis neutros em carbono está em andamento há décadas. Um relatório de 1965 sugeriu a síntese de metanol a partir do dióxido de carbono no ar e da energia nuclear para criar uma instalação móvel de abastecimento.[75] A produção de combustível sintético a bordo de navios movidos a energia nuclear foi estudada em 1977 e 1995.[76][77] Um relatório de 1984 estudou a captura de dióxido de carbono de centrais térmicas e a sua conversão em combustível.[78] Um relatório de 1995 comparou a conversão de frotas de veículos para que pudessem usar metanol neutro em carbono com a síntese mais complicada da gasolina, mas que não exigiria qualquer adaptação dos veículos.[79]​.