Dekarbonizace a obnovitelné uhlovodíky

ABSTRACT: Decarbonisation relies, among other things, on the efficient utilisation of CO₂. The association CO₂ Czech Solution Group is preparing visions to address this problem, emphasising the involvement of domestic scientific institutions supported by state administration.

Dekarbonizační trendy jsou vyvolány řadou objektivních náhledů spojených s disponibilitou obnovitelné elektrické energie, disponibilitou biomasy pro průmyslové využití, efektivitou výroby zeleného vodíku či procesů CCU (Carbon Capture and Utilisation), umožňujících konverzi „odpadního“ či atmosférického oxidu uhličitého na uhlovodíky, resp. sloučeniny s energetickým obsahem zajišťující akumulaci a následnou výrobu elektřiny, tepla či mobility.

Bariéry, jako biodiverzita, průnik s potravinovým a krmným řetězcem a především nutnost návratu organického uhlíku zpátky do půdy, jsou faktory, které zastavují rozvoj biopaliv. Zároveň se vrací aktuální otázka – co a jaká tedy bude energie, která se může dlouhodobě, efektivně a obnovitelně využívat s minimem negativních konfliktů v mobilitě. Postupným útlumem využívání fosilních zdrojů se nabízí výroba energie z obnovitelných či nízkoemisních zdrojů (jádro, voda, vítr, slunce, geotermální energie) a elektromobilita. Očekávají se významnější pokroky jak v oblasti zvyšování efektivity fotovoltaických materiálů, resp. vyšší efektivity (až na 40 % ve srovnání s dnešními cca 20 %), zároveň pokroky v bateriovém ukládání elektrické energie např. do pevných oxidů tak, aby nabíjecí časy byly minimalizovány a zároveň se prodlužovaly dojezdy. Zkoumají se možnosti dlouhodobého ukládání energie do chemických derivátů, jako je metanol, čpavek či další snáze skladovatelné komodity.

BUDE VODÍK CÍLOVOU ALTERNATIVOU?

Dnes se za preferovanou a snad i za cílovou alternativu považuje využití vodíku. V kontextu vodíku je však nadále diskutována problematika jeho uplatnění. Dnešní definice zeleného vodíku významně omezuje rozumné uplatnění nízkoemisního vodíku, vyráběného dnešními osvědčenými technologiemi doplněnými záchytem CO₂, či nově vyvinutými technologiemi, jako je např. pyrolýza metanu, které mohou (s ohledem na disponibilitu obnovitelné elektrické energie, resp. energetického mixu) vodík vyráběný elektrolýzou vody vhodně doplňovat. Pro jeho využití, podobně jako pro elektromobilitu, vzniká řada podpůrných materiálů, jako jsou např. národní vodíkové strategie. Při jejich tvorbě a širším prosazování vodíku však je nezbytné důsledně zvážit i negativní charakteristiky vodíku, jako jsou nízká hustota, obtížnost transportů a skladování, omezená plnicí infrastruktura či jeho bezpečnostní charakteristiky. Dokument zpracovaný MPO – aktualizace Vodíkové strategie ČR – k řadě těchto aspektů přihlíží.

VYUŽITÍ E-PALIV (NEJEN) V DOPRAVĚ

Nicméně tak stále fosilní kapalná a plynná paliva zůstávají jako obtížně nahraditelná alternativa, a to především v oblasti letectví, těžké kamionové dopravy, ve stavební a lesní technice, ve vojenské technice, či v námořních transportech. Pro tyto segmenty se plánuje využití syntetických paliv, nazývaných také e-palivy (či SAF), jelikož obnovitelná elektrická energie, resp. „zelený vodík“, je vstupní surovinou pro jejich výrobu. Jedná se o uhlovodíková paliva, které mají v konečném důsledku podobné složení, jak je známe z výrobních procesů při zpracování ropy či využití zemního plynu. Syntetická paliva, resp. deriváty vyrobené konverzí CO₂ a vodíku, nabízejí ale i mnohem širší možnosti využití. Kromě mobility mohou efektivně nahrazovat fosilní zdroje v energetickém využití či chemických výrobách, kde nedostupnost fosilních zdrojů ohrožuje celé široké spektrum dnešních výrobků, jako jsou polymery (plasty, pryže, umělé pryskyřice či vlákna), textilie, rozpouštědla, nátěrové hmoty, laky, lepidla, či další stavební a izolační materiály…

Ano, všechny tyto produkty se dnes vyrábějí z fosilních zdrojů, část z nich však lze nepochybně částečně nahradit přírodními surovinami, jako jsou dřevo, olejniny či jiné v přírodě vznikající látky. Lze pochopitelně zvažovat i využití (nejenom) organického a zemědělského odpadu (viz např. „bioplynky“).

Green Deal všeobecně je spojován s energetikou jako významným emitentem CO₂. Přitom energetika má alespoň vize řešení v podobě jaderné (bezemisní) technologie, využívání OZE, vzdáleně termojaderné fúze, do které se celosvětově investují obrovské finanční prostředky. Zajištění výroby zmíněných produktů ale plnohodnotnou alternativu nemá. Potřebuje vstupní surovinu – uhlík a vodík. Všechny uvedené produkty se totiž vyrábějí dnes z fosilních či přírodních uhlovodíků. Přiznejme fakt, že bez zajištění výroby těchto produktů nejenže nelze mluvit o konkurenceschopnosti, ale dnešní život bez nich je nepředstavitelný.

PERSPEKTIVY „ZELENÝCH” UHLOVODÍKŮ

Jaké jsou tedy perspektivy pro výrobu tzv. „zelených“, tedy obnovitelných uhlovodíků? Vodík se sice nevyskytuje na planetě Zemi ve volné formě, ale je vázán společně s molekulou kyslíku v obrovském množství vody. Vodík z tohoto prostředí lze jednak separovat (příkladem je elektrolýza vody), jednak ho lze „přinutit“ k reakci přímo ve vodním prostředí.

Uhlík je především ve formě fosilních zdrojů – uhlovodíkových sloučenin: ropa, zemní plyn, uhlí. S nimi se ale do budoucna příliš nepočítá, resp. se počítá s jejich postupným útlumem. Nabízí se tedy uhlík z biomasy. Ta ale dle metodologie Ministerstva zemědělství se má správně vracet ve formě organického uhlíku (kompostem nebo zaoráním) zpátky do půdy, aby si půda trvale zachovala svoji prioritní funkci produkce potravin. Neomezený zdroj uhlíku je tedy právě v molekule skleníkového plynu CO₂. Toho dnes produkuje naše hospodářství cca 130 milionů tun ročně. Velkou výzvou především pro oblast chemie je stavět novou chemii na těchto „zelených“ uhlovodících.

Vyžaduje to nadále intenzivněji rozvíjet dva relativně samostatné vědní obory. První je záchyt CO₂ – procesy adsorpce, absorpce, membránové systémy, či přímé záchyty CO₂ ze vzduchu (byť velmi malé koncentrace 0,04 % obsahu CO₂ ve vzduchu kolem nás). Technologický vývoj dnes umožňuje budovat pilotní (a v omezené míře i průmyslové) kapacity, které dokážou efektivně CO₂ zachycovat (Carbon Capture), vyčistit na požadovanou čistotu a efektivně transportovat, buď k jeho trvalému uložení (CCS: Carbon Capture and Storage), ale především pak k využití uhlíku z tohoto plynu v cirkulační uhlovodíkové ekonomice (CCU: Carbon Capture and Utilisation), který je druhým zaměřením. Smělé plány vznikají především v Německu, kde se již připravují i produktovody na CO₂. Kardinálním problémem využití uhlíku z tohoto plynu ale je skutečnost, že CO₂ je molekula termodynamicky stabilní, tzn. že pro její zpětnou konverzi na uhlovodík je nezbytné vynaložit významné množství energie, umocněné potřebou vodíku. Z dnešního pohledu se zdá být nejperspektivnější proces CO₂RR, neboli redukční reakce CO₂ přímo ve vodním prostředí. Tedy elektrochemická konverze CO₂ na uhlovodík. Tato cesta nabízí perspektivní možnosti obejít potřebu separátního vodíku, se kterým se váže řada aspektů snižující efektivnost dalšího zpracování (skladování, nízká hustota, transporty, infrastruktura, energetická spotřeba, legislativní rámec).

Samostatným aspektem dekarbonizace je elektrifikace hospodářství (založená pochopitelně na obnovitelné či nízkoemisní elektrické energii). Tato cesta se zdá být nejefektivnější z pohledu budoucích emisí CO₂, vyžaduje však nejenom vybudování potřebných zdrojů a infrastruktury, ale i zohlednění náhrady zdrojů tepla, které je klíčové pro obyvatelstvo a průmysl, zejména pro energeticky náročná odvětví. V chemickém průmyslu se již začínají postupně instalovat výrobní kapacity, založené na zajištění energetických potřeb prostřednictvím elektrické energie. Příkladem může být například klíčová jednotka pro navazující chemický průmysl, tzv. etylenová jednotka (pyrolýzní technologie pro výrobu chemických komodit, jako jsou etylen a propylen pro výrobu polymerů či další chemické deriváty).

Omezeným příspěvkem k dekarbonizaci může být i „zelený vodík“.

Dalším směrem je využívání obnovitelných surovin vyráběných biologickou cestou, např. bio-metanol či bio-etanol. V neposlední řadě jsou pak procesy chemické recyklace, které doplňují standardní procesy zpracování odpadů a jsou jedinou možnou cestou opětovného získávání uhlovodíkové suroviny pro výrobu zavedených produktů, nezbytných pro navazující průmyslová odvětví a potřeby obyvatel.

VZNIKÁ VIZE NÁRODNÍ KOOPERACE VE VYUŽÍVÁNÍ CO₂

Systematicky se již třetím rokem touto problematikou zabývá Spolek CO2 Czech Solution Group (který vznikl v červenci 2021 a dnes sdružuje řadu významných tuzemských vědeckých pracovišť). Tento spolek společně s konzultační společností EY dne 19. 10. 2023 inicioval uskutečnění národního semináře (který navázal na úspěšnou mezinárodní konferenci DECARB2022 uspořádanou ve spolupráci se Svazem chemického průmyslu v listopadu 2022 v Praze), kde byl prezentován strukturální přístup k dekarbonizaci. Byly identifikovány efektivní výzkumné trendy jak v oblasti záchytu, tak v oblasti samotné transformace CO₂ na komodity. Byla představena vize národní kooperace a spolupráce vědy-průmyslu a státních orgánů. Toto podpořil i Czechinvest svojí prezentací moderního a efektivního řízení průmyslových společností.

Spolek má i ucelenou představu o efektivní kooperaci v rámci projektových příprav – reakci na již vypsané projektové výzvy, či generování vlastních výzev směřujících k podpoře dekarbonizace. V této oblasti je spolupracující organizace – Technologické centrum Praha – připraveno efektivně napomáhat českým vědeckým pracovištím se úspěšně zapojit do mezinárodních projektů. Větší projektové záměry zas nabízí koordinovat, vést a napomáhat EY, jehož specialisté mohou napomoci využívat velké finanční zdroje z rozvojové a investiční banky apod. Na semináři jak ministr životního prostředí P. Hladík, tak prezident Hospodářské komory Zd. Zajíček či bývalý předseda Akademie věd ČR a dnešní senátor J. Drahoš ocenili profesionalitu spolku a uvítali, že i v ČR se začíná k dekarbonizaci přistupovat systémověji. Spolek CO2 Czech Solution Group přitom varuje, že se zdaleka nejedná pouze o energetiku a chemický průmysl, ale že dekarbonizace metalurgie či cementu rovněž potřebuje svá řešení.

Spolek CO2 Czech Solution Group postupně nachází oporu a podporu státních institucí a je připraven přispět k tomu, aby se dařilo problematiku postupné dekarbonizace k roku 2050 efektivně realizovat v kontextu dnešních evropských výzev spojených i s cirkulární ekonomikou, digitalizací a dostupností fosilních surovin.

O AUTORECH

Ing. LEOŠ GÁL má četné profesní zkušenosti v oboru biopaliv, chemie a plastů. Působil v Unipetrolu, v Čepru a ve Výzkumném ústavu meliorací a ochrany půdy. Od roku 2008 do současnosti vede Českou technolo-gickou platformu pro biopaliva, kde se zabývá strategickou výzkumnou agendou ČR pro biopaliva 2. generace a aktivně koordinuje činnost spolku CO₂CZ.

Ing. IVAN SOUČEK, Ph.D., působil na technických pozicích ve společnosti Kaučuk, ve společnosti Unipetrol zastával pozici ředitele rozvojea člena představenstva, několik let byl generálním ředitelem společnosti Koramo, v letech 2002–2011 předsedou představenstva a generálním ředitelem České rafinérské. V současnosti je ředitelem SCHP ČR a působí na VŠCHT Praha na Katedře ekonomiky a řízení chemického a potravinářského průmyslu.

Kontakt: leos.gal@seznam.cz, ivan.soucek@schpcr.cz