Preskúmajte všetky služby z energetického sektora, ktoré ponúka platforma ENERGY-HUB

Inovatívne technológie, umožňujúce priemyselnú recykláciu uhlíka

27. 11. 2019
14:00
PRO-ENERGY Julius Forsthoffer

Ľudsto produkuje čoraz viac odpadov, ktoré je možné efektívne pretvoriť na definované palivá, napr. pre pohon automobilov. To môže byť udržateľným spôsobom, ako efektívne využívať do atmosféry a do pôdy uvolňované oxidy uhlíka.

# paliva
# uhlie
# technológie
Inovatívne technológie, umožňujúce priemyselnú recykláciu uhlíka

ABSTRACT: Waste is an almost inexhaustible source of carbon. Carbon recycling resulting in the production of "defined fuels" seems to be an innovative and very sensible way of solving this problem of excess carbon.



OD FOTOSYNTÉZY K PRIEMYSELNEJ REKUPERÁCII UHLÍKA

V predchádzajúcom článku (viď PRO-ENERGY magazín č. 2/2019), ktorý mal za úlohu nasmerovať čitateľov na nový fenomén, označovaný ako „recyklácia / rekuperácia uhlíka“, sme sa dotkli preukázateľnej nerovnováhy, ktorá sa vytvára v pozemskej atmosfére ako dôsledok prebytku emitovaného oxidu uhličitého. Tento fenomén by mal vhodným spôsobom doplniť už nepostačujúci výkon prirodzenej fotosyntézy na viazanie uhlíka z atmosférického CO2 do formy rôznych uhlíkových zlúčenín pomocou slnečného žiarenia a zelených rastlín i mikroorganizmov (katalýza chlorofylovým cyklom).

Tento chlorofylový cyklus funguje od pradávna a jeho „výťažnosť“ závisí od intenzity žiarenia a dostupnej koncentrácie oxidu uhličitého v ovzduší. Jeho akumulovaným výsledkom sú prakticky fosílne zdroje, ktoré majú rôzne formy a ktoré vo veľkom množstve využívame v systéme uhlíkovej energetiky. Iste, fosílnu energetiku doplňuje aj časť obnoviteľných zdrojov.

Poznámka na okraj: aj dnes v rastlinnej výrobe možno dosiahnuť vyššiu produkciu fytomasy, ak sa rastlinám vytvoria okrem svetla aj podmienky s vyššou koncentráciou uhlíka (to sa využíva napríklad v skleníkových hospodárstvach v Holandsku, kam privádzajú potrubím CO2 produkovaný v rotterdamskom liehovare).

Zastaviť „uhlíkovú energetiku“ takou formou, ako si to predstavujú niektorí hlásatelia procesu „dekarbonizácie“, nie je možné, pretože v podmienkach Zeme je na ňu naviazaný všetok život (ľudia, živočíchy, rastliny, mikroorganizmy), ale recyklovať raz využitý uhlík priemyselným veľkokapacitným spôsobom je možné, dokonca už aj praxou overené.

Riešením teda je recyklácia uhlíka cez dekompozičné tepelné procesy z druhotných zdrojov (odpadov) i z oxidu uhličitého vypúšťaného a zachyteného zo stacionárnych zdrojov (napr. kogenerácie a všetky plynové kotolne, kompresorové stanice na rozvodoch ropy i plynu).

Obrázok č. 1: Základné principy premeny CO2 na chemikálie alebo palivá
Zdroj: CO2Chem
 

BUDÚCNOSŤ: UHĽOVODÍKOVÉ PALIVÁ BEZ VYUŽÍVANIA ROPY?

Dekompozíciou získaného syntézneho / generátorového plynu je možné vykonať následnú syntézu na výrobu vhodných uhľovodíkov. Zdôraznime, že skládkované odpady (mimo odpadu stavebného) majú menej popolovín, než má bežné, menej kvalitné hnedé uhlie. Recyklácia je spojená nielen s výrobou syntetických uhľovodíkov, využiteľných ako definované palivá, ale aj ako základné chemické suroviny pre ďalšie spracovanie doteraz získavané z ropy.

Lenže kým sa ropa bude spracovávať klasickou frakčnou destiláciou (atmosférickou, vákuovou, aj pomocou hydrogenačného krakovania), tak vlastne sa iné technológie ťažšie presadzujú, najmä v podmienkach postavenia nadnárodných spoločností, ktoré ťažia, prepravujú a spracovávajú ropu. Vývoj spracovania ropy to potvrdzuje. Samozrejme rozdiely sú v ľahkých-benzínových ropách voči ťažkým-olejovo/mazutovým ropám, ale existuje aj dobre využiteľný produkt Orimulzion z veľmi ťažkých ropných frakcií.

Obrázok č. 2: Schematické znázornenie splyňovania 
Zdroj: VTT
 

ČO SÚ TO „DEFINOVANÉ PALIVÁ“ NA ROZDIEL OD BEŽNÝCH „ZMESOVÝCH“?

Pozoruhodné je aj to, že „motorári“, ktorým sa sprísňujú podmienky pre emisie, sa (ešte) neozvali, že na ich splnenie potrebujú „definované“ palivá s definovaným priebehom horenia, pretože aj oktánové, aj cetánové číslo udávajú iba vlastnosti (zmesi) konkrétneho paliva (preto sa produkty rôznych výrobcov deklarované identickým číslom chovajú pri spaľovaní v motoroch rôzne). Nakoniec všetky aditivácie palív sú iba o tom, že palivová zmes je komplikovanejšia.

Definované palivá pri horení nedymia, majú identickú štruktúru molekúl, čo umožňuje úplne rovnomerné zhorenie bez tvorby škodlivých splodín (z nedokonalého spaľovania).

Najrozšírenejším definovaným palivom je metán CH4, s ktorým sa stretávame vo forme zemného plynu v bežných plynárenských rozvodoch, alebo ako stlačený pre pohon automobilov (CNG), dokonca ako skvapalnený (LNG), ale môže byť využívaný i vo forme bioplynu, v ktorom tvorí väčšinový podiel, dokonca ako biometán získaný kondicionovaním bioplynu, alebo až synmetán (identicky vyrobený chemickou syntézou zo syntézneho plynu).

Ďalšie definované palivá sú odvodené od alkánov, akými sú:

  • lineárne n-alkány, napríklad hexán C6H14 (ľahký benzín), dodekán C12H24 (letecký petrolej), tiež cetán C16H34 (motorová nafta) – nomenklatúrny názov hexadekán – ktorý má cetánové číslo 100,
  • rozvetvené izo-alkány, napríklad izo-oktán – nomenklatúrny názov 2,2,4, – trimetylpentán – má oktánové číslo 100.

Existujú aj komplikovanejšie, pritom definované zlúčeniny, napríklad etyl-terc.butyl-éter – má vyššie oktánové číslo než 100, a preto slúži ako oktánový regulátor i oxygenátová prísada do benzínov.

Obrázok č. 3: Definované palivá pri horení nedymia. Pokus ukazuje, ako horí palivo nedefinované v porovnaní s palivom definovaným.
Zdroj: Biomassekraftwerk Gussing, Austria
 

ROZDIELNOSTI TEPELNEJ DEŠTRUKCIE UHLÍKATÝCH MATERIÁLOV SPLYŇOVANÍM OPROTI SPAĽOVANIU

Princíp spaľovania je obecne známy a využívaný od nepamäti ako zdroj tepla. Vyrobené teplo dáva možnosť priameho využitia, ale aj premeny tejto formy energie na iné formy energie, najmä mechanickú, elektrickú, či chladovú, prirodzene vždy s nižšou než 100% účinnosťou a s problémom. Hoci máme k dispozícii na generovanie týchto foriem energie rôzne sofistikované zariadenia, nevieme takto disponibilnú energiu jednoducho akumulovať ani skladovať, ani ich doprava pomocou rozvodných sietí nie je celkom bezproblémová.

Základom prvotnej energie, vznikajúcej spaľovaním, je bilančná rovnica zlučovania uhlíka (a iných horľavých prvkov) prednostne s kyslíkom, ale aj medzi sebou podľa podmienok, ktoré umožňujú priebeh tej ktorej reakcie. Podmienky spaľovania a splyňovania sú rozdielne; nasledujúci prehľad ukazuje reakčné splodiny prvkov pri spaľovaní a pri splyňovaní (pri vyššej rozkladnej teplote):

  • uhlík sa mení na CO2, CO,
  • vodík na H2O, H2
  • dusík na NO, NO2, HCN, NH3, N2,
  • síra na SO2, SO3, H2S, COS,
  • voda na H2O, H2.

Väčšina reakcií je energeticky pozitívna a produkuje energiu, niektoré sú energeticky negatívne a spotrebovávajú energiu. Na tom je založená celá regulácia a ovládanie spaľovania oproti splyňovaniu, pretože je možnosť obmedzovať vedľajšie reakcie reguláciou podielu kyslíka či vzduchu (obsahuje dusík), vody či vodnej pary, oxidu uhličitého, dokonca i obsahu síry v základnom palive.

Lenže spaľovanie uhlíka nie je prvotným cieľom jeho recyklácie či rekuperácie. Účelom je dosiahnuť pri splyňovaní v reakčnej zmesi najvyšší podiel oxidu uhoľnatého a vodíka, ktoré sú prvotnými surovinami pre následnú chemickú syntézu definovaných uhľovodíkov. Treba dodať aj možnosť využiť zmes horľavých plynov, získaných splyňovaním, priamo ako disponibilného paliva pre turbíny kogeneračných zariadení, a tým dosiahnuť najjednoduchšiu formu rekuperácie uhlíka bez následnej syntézy definovaných uhľovodíkov.

Recyklácia však môže pokračovať zachytením oxidu uhličitého zo spalín tohto stacionárneho zariadenia a jeho vrátením do regeneračného cyklu. Tým sa významne zníži potreba prvotného paliva.

Splyňovanie odpadových uhlíkatých materiálov má výhodu v tom, že základný materiál je bohatý na uhlík, obsahuje oveľa menej popolovín, ako menej kvalitne hnedé uhlie, a poskytuje dostatok uhlíka pre základnú produkciu tepla, od ktorej je závislý celý splyňovací proces.

Na rozdiel od splyňovania pri vyšších teplotách, kde dochádza k deštrukcii zlúčenín až na plynné komponenty, poznáme aj splyňovanie pri teplotách nižších, kde sa ako produkt po kondenzácii pár a plynov zachytia t.z. pyrolýzne oleje. Je to heterogénny produkt, pripomínajúci ropu, a pre ďalšie využitie sa musí spracovať frakčnou destiláciou. V takomto pracovnom cykle proces umožňuje rozklad sekundárnych odpadových uhlíkatých zdrojov, predovšetkým skládkového odpadu, ale aj najrôznejších netriediteľných odpadov z plastov aj ich kompozitov rovnako ako splyňovanie pri vyššej teplote, ale neumožní výrobu definovaných uhľovodíkov, použiteľných ako palivá či chemické základné suroviny. Takýto variant môže byť výhodný pre lokality v blízkosti ropnej rafinérie, ktorá je schopná a ochotná pyrolýzne oleje spracovať.

Obrázok č. 4: Od pyrolýzy k syngasu
Zdroj: Benchmarking Biomass Gasification Technologies for Fuels, Chemicals and Hydrogen Production
 

Osobitnú kategóriu uhlíkatých odpadov tvoria ojazdené pneumatiky. O naliehavosti ich využitia v recyklácii niet sporu a dokumentujú to plné skládky takéhoto odpadu. Môžu byť splyňované nízkoteplotne, ale aj pri vyšších teplotách, lebo základným materiálom je vždy uhlík z kaučukov i aktívneho uhlia pridávaného do gumárenských zmesí.

Lenže pri nízkoteplotnom splyňovaní vzniká sekundárny produkt, odpadové železo z oceľových kordov. Tento kov je samozrejme zužitkovateľný v systéme recyklácie kovov, lenže spracovateľ za prepracovanie železa vyžaduje úhradu. Analogické podnikateľské správanie existuje aj pri spaľovaní ojazdených pneumatík v cementárskych peciach za úhradu napriek tomu, že spaľovaný uhlík doplňuje energetickú bilanciu vo výrobe cementu a železo v peciach zhorí až na oxidy, ktoré sú potrebnou zložkou cementov.

OXID UHLIČITÝ AKO ZDROJ PRE VÝROBU DEFINOVANÝCH PALÍV

Osobitnou možnosťou je kombinácia procesu spaľovania odpadov so splyňovaním pri vyššej teplote a s úplným zužitkovaním oxidu uhličitého, vyprodukovaného v spaľovacom procese pri splyňovaní. Takáto kombinácia poskytne pre procesy nielen potrebne suroviny, ale aj energiu, a vyrobený syntézny plyn môže byť pomocou Fischer-Tropschovej syntézy s vhodným katalyzátorom transformovaný na definované motorové palivo, využiteľné pre mestskú a prímestskú dopravu. To by bolo ideálne recyklovanie v prospech obyvateľstva, ktoré na jednej strane produkuje odpad, ale na druhej strane by získalo benefit vo forme nízkoemisného motorového paliva.

Tento trend je významný pre podporu väčších mestských aglomerácií a do budúcnosti predstavuje veľký realizačný potenciál.

Nie menej zaujímavou je možnosť transformácie oxidu uhličitého, zachyteného najmä zo stacionárnych zdrojov s nízkym emisným zaťažením spalín. K riešeniu komplikovanejších zdrojov emisií s vysokým obsahom popolčeka v dymových plynoch, ako sú napr. železiarne, oceliarne, cementárne, vápenky, či uholné elektrárne, môžeme pristupovať, keď vyriešime a zrealizujeme tie jednoduchšie.

Najjednoduchšie sú predovšetkým už spomínané kogeneračné komplexy, ktoré využívajú ako palivo zemný plyn, ale aj všetky kompresorové stanice na plynovodných a ropovodných trasách. Do istej miery aj bioplynové stanice. To iste platí pre všetky centralizované plynofikované kotolne. Tam je produkcia oxidu uhličitého v spalinách úmerná spotrebovanému palivu pri koncentráciách CO2 v spalinách vyššej než 10 %. To veľmi uľahčuje proces zachytávania a skoncentrovania oxidu uhličitého pre ďalšie spracovanie.

Pre tieto prípady je najjednoduchšie zachytávanie a skvapalňovanie CO2 ochladením pri mierne zvýšenom tlaku pri odbere za kondenzačným chladením dymových plynov s nadväzným sústredením skvapalneného CO2 do miesta ďalšieho spracovania.

Obrázok č. 5: Náklady na ukládanie CO2 sa postupně znižujú.
Zdroj: US DOE Cost of CO2 capture goals, Carbon captute R&D, 2018, www.energy.gov, Sylvie Cornot-Gandolphe: Carbon Capture, Storage and Utilization to the Rescue of Coal? Etude de lIfri, IFRI, June 2019, ISBN: 979-10-373-0033-1
 

Optimálnym sa javí reakcia oxidu uhličitého a metánu na syntézny plyn, ktorého ďalšie využitie závisí od kapacity a lokálnych dispozícií.

Reakcia konverzie je jednoduchá (CO2 + CH4 = 2 CO + 2 H2) a jej priebeh katalyzuje tichý výboj „korony“, realizovateľný vo vhodnom zariadení už pri napätí 22 kV, čo je bežné napätie v elektrickej sieti. Analogicky pracujú zariadenia na výrobu ozónu zo suchého vzduchu, alebo priamo z kyslíka. Tento postup recyklácie uhlíka je výhodne aplikovateľný všade tam, kde sa ako palivo využíva zemný plyn (metán) a je rozhodne prínosnejší, ako kompresia vyčisteného a skoncentrovaného oxidu uhličitého do podzemia v nádeji, že sa tam bude akosi mineralizovať a nebude prípadnými štrbinami, či pri tektonických otrasoch nekontrolovane unikať späť do atmosféry.

Záujemcom o túto problematiku možno odporúčať širokú a disponibilnú literatúru v časopiseckej i knižnej forme, ale aj mnohopočetné svetové semináre, ktoré sú pravidelne organizované. Tam autori prezentujú nielen výsledky svojich výskumov ale i smery, ktorými by sa mal uberať proces dekarbonizacie planéty, presnejšie rekuperácie / recyklácie uhlíka.

 


O AUTOROVI

Ing. Julius Forsthoffer, PhD. absolvoval v roku 1958 na Chemickej fakulte SVŠT v odbore kvasná chémia a technológia. Počas svojej profesnej kariéry pracoval na rôzných pozíciách v potravinárskom a liehovarníckom sektore. Ako technológ pôsobil aj v ropnom priemysle. Po ašpirantskom štúdiu v rokoch 1975 – 1977 získal titul CSc. (Ph.D.).

Niekoľko rokov strávil aj vo viacerých firmách a inštitúciách v zahraničí (Kuba, India, Venezuela, Mexiko) a svoje bohaté skúsenosti odovzdával aj ako vysokoškolský pedagóg na Slovenskej technickej univezite.

Od roku 2004 je tajomníkom Združenia výrobcov liehu a liehovín na Slovensku a v rámci tejto funkcie aj certifikovaným hodnotiteľom destilátov. Je občasným technickým poradcom pre výrobu etanolu, ovocných destilátov, bioprísad do motorových palív, vrátane biometánu, i občasným lektorom pre poslucháčov FChPT STU či SjF STU, alebo EkoUni v Bratislave i prednášateľom na tematicky blízkych domácich a nadnárodných konferenciách. Podporuje trend recyklácie uhlíka na podporu zníženia emisií a jeho spotreby v hospodárstve i sanáciu životného prostredia.   

Kontakt: forsthoffer@chello.sk

 

súvisiace články

Nové trendy v energetice na PRO-ENERGY CONu 2019

03. 12. 2019
23:00
PRO-ENERGY

Čtyři živé panelové diskuse v méně formálním prostředí jihomoravského Kurdějova, doplněné zajímavou exkurzí na instalaci Power to Heat. Takový byl devátý ročník PRO-ENERGY CONu, který se konal 7. – 8. listopadu 2019. 

# paliva
# elektrina
# stratégia
# AKU-BAT

Dům z konopí

27. 11. 2019
14:00
PRO-ENERGY

To není sen drogově závislého, ale realita. Již pralidé z konopí běžně stavěli chýše a moderní člověk je možná zanedlouho…

# technológie
# budovy

Aktuality v oblasti paliv

27. 11. 2019
14:00
PRO-ENERGY

Přinášíme vám výtah zajímavých novinek z médií z oblasti paliv a dopravy z portálu  energy-hub.cz v období 9/2019–11/2019 …

# paliva

Lidstvo učí stroje etice. Ale které přesně?

27. 11. 2019
14:00
PRO-ENERGY

Brzy přijde čas, kdy strojům svěříme zodpovědnost řešit morální dilemata. Je na to společnost připravena?

# technológie

Dekarbonizace zpracovatelského průmyslu – hrozby a příležitosti

27. 11. 2019
14:00
PRO-ENERGY

Zpracovatelský průmysl se v současné době nachází na dalším velkém rozcestí. Dekarbonizace může domácí průmysl zlikvidovat kvůli…

# paliva
# emisie
# stratégia
# životné prostredie

DOMEXPO 2020

08. 12. 2019 18:00 - 10. 12. 2019 02:00
Agrokomplex Nitra
15. ročník komplexnej stavebnej výstavy a výstavy pre fotovoltiku a solárnu techniku

All for Power Conference 2019

09. 12. 2019 - 10. 12. 2019
Clarion Congress Hotel Prague
14. mezinárodní odborná konference a výstava.

Energetická bezpečnost ČR: Budoucí spotřeba energie

11. 12. 2019 09:00 - 12:00
hotel Andel’s, Stroupežnického 21, Praha 5
Energetická bezpečnost České republiky v kontextu budoucí spotřeby energie.

ENERGY-HUB je moderná nezávislá platforma pre priebežné zdieľanie spravodajstva a analytických článkov z energetického sektora. V rámci nášho portfólia ponúkame monitoring českej, slovenskej aj zahraničnej tlače.

47464
Počet publikovaných noviniek
1597
Počet publikovaných akcií
450
Počet publikovaných článkov
ENERGY-HUB využívá spravodajstvo ČTK, ktorého obsah je chránený autorským zákonom.
Prepis, šírenie alebo ďalšie sprístupňovanie akéhokoľvek obsahu alebo jeho časti verejnosti je bez predchádzajúceho súhlasu výslovne zakázané.
Drtinova 557/10, 150 00 Praha 5, Česká republika