Časopis Quark
https://www.quark.sk

Hry s uhlíkom

Oxid uhličitý je svojím spôsobom barometrom prostredia na Zemi. Rastliny ho využívajú na fotosyntézu, ale pravdepodobne má vplyv aj na globálne otepľovanie. Aké sú možnosti pri jeho zachytávaní a v lepšom prípade aj vo využití?

Od nepamäti využívajú ľudia – vedome či nevedome – uhlík ako zdroj energie. Prirodzene, nejde vždy o čistý uhlík, ale o látky, v ktorých je uhlík prítomný.

Oxid uhličitý

Oxid uhličitý (CO₂) je v podstate jednou fázou v procese recyklácie uhlíka v prírode (Calvinov cyklus). Príroda ho prostredníctvom fotosyntetizujúcich rastlín dokáže rekuperovať do formy biomasy. Historickým vývojom, spriemyselňovaním výroby, ale aj nárastom populácie dochádza k narušeniu rovnováhy, a to najmä antropogénnymi faktormi, a tak koncentrácia CO₂ v ovzduší preukázateľne narastá.

Princíp konverzie CO₂ na syngas v metánovej katalytickej čiastočnej oxidácii.

V súčasnosti sa pohybuje okolo množstva 390 ppm (390 častíc CO₂ na milión ostatných vo vzduchu, t. j. 0,039 %). Množstvo CO₂ v atmosfére na Zemi v predhistorických obdobiach kolísalo medzi 190 ppm až 290 ppm. Čím je vo vzduchu viac CO₂, tým rýchlejšie rastliny rastú a tým viac vyprodukujú sacharidov. Pokusy potvrdili, že keď je vo vzduchu menej ako 200 ppm CO₂, rastliny závislé od fotosyntézy prestávajú rásť (rýchlosť rastu sa znižuje na 30 až 40 % rastu typického pre druhú polovicu 20. storočia). Pri poklese množstva CO₂ vo vzduchu pod 100 ppm rastliny umierajú (rastú iba 10 až 20 % rýchlosťou a v priebehu vegetačného obdobia nestihnú vyprodukovať plody ani semená). Množstvo oxidu uhličitého v atmosfére sa za uplynulých 150 rokov zvýšilo približne o 110 ppm z 280 na 390 ppm, pričom každý rok stúpa o ďalšie 2 ppm. Tento výrazný nárast množstva CO₂ v atmosfére spôsobilo najmä spaľovanie fosílnych palív, dýchanie čoraz väčšieho počtu ľudí a rozvoj živočíšnej výroby.

Nízkouhlíková energetika

Obeh uhlíka v prírode je podobný obehu vody a príroda na to využíva slnečnú energiu a proces fotosyntézy, ktorým sa pomocou chlorofylu v zelených rastlinách recykluje uhlík z formy CO₂ na uhľovodíkové zlúčeniny. Preto vznikla kategorizácia palív z fosílnych zdrojov a z obnoviteľných zdrojov, ku ktorým radíme aj recykláciu/ rekuperáciu uhlíka vhodným technickým spôsobom. Prirodzene, metódy a technológie na využitie uhlíka z druhotných surovín sú známe, ale sú nateraz zatlačené do úzadia širokou dostupnosťou zemného plynu a ropných produktov. Proces spaľovania uhlíkatých (uhlík obsahujúcich) zdrojov uvoľňuje v podstate teplo, ktoré sa nedá racionálne skladovať, a preto, keď sa nedá priamo využiť, je potrebné premeniť ho na iné formy energie. Napríklad parné stroje či turbíny umožňujú transformáciu tepla na mechanickú či elektrickú energiu, ale ani jednu z nich nevieme dobre skladovať, preto ich produkcia musí byť v rovnováhe s priamou spotrebou. Chemická transformácia uhlíkatých zdrojov dovoľuje vyrobiť uhľovodíky definovaných vlastností (pri spaľovaní nedymia) a pritom dobre skladovateľné. Týmto smerom by sa mala uberať budúcnosť tzv. nízkouhlíkovej energetiky.

Biopalivá

Koncentrácie CO₂ v atmosfére v súčasnosti atakujú hranicu 400 ppm, do roku 2050 sa očakáva ich nárast k hodnote 550 ppm.

Alternatívou k fosílnym zdrojom uhlíka a z nich odvodených palív sú biopalivá prvej generácie. Tie sú však spojené s veľkým rizikom takzvanej nepriamej zmeny využívania pôdy. Znižovať emisie v doprave majú najmä biopalivá druhej generácie a syntetizované palivá. Biopalivá prvej a druhej generácie sa odlišujú v technológii výroby aj v zdrojovej surovine. Za biopalivá prvej generácie sa považujú tie, ktoré sa vyrábajú z poľnohospodárskych produktov, najmä obilnín a olejnín. Biopalivá druhej generácie sa vyrábajú z lignocelulózovej biomasy a ďalších surovín, najmä zo zvyškov a odpadov. Postupy výroby sú komplexnejšie ako pri prvej generácii, využívajú sa iné technológie, predovšetkým termochemické konverzie, splyňovanie, pyrolýza a krakovanie, skvapalňovanie, fermentácie pyrolýznych a uhľovodíkových plynov a ďalšie. Súčasné úsilie o využívanie lignocelulózových surovín ako lacných a široko dostupných zdrojov skvasiteľných sacharidov (neohrozujúcich fondy potravinárskych surovín) nie je prevratnou novinkou. Spracovanie lignocelulózových surovín, najmä dreva, na etanol fungovalo predovšetkým počas 2. svetovej vojny v Sovietskom zväze, Fínsku, Švédsku a v USA vo veľkokapacitných závodoch vystrojených prevažne s periodicky pracujúcimi hydrolyzačnými reaktormi, pričom vyrobený lieh slúžil zväčša ako surovina na výrobu syntetického kaučuku (Lebedevova metóda) potrebného na výrobu gumy.

Motorové palivá

Jedine parný stroj je schopný využiť akékoľvek palivá. Negatívami sú však nízka účinnosť a veľké energetické straty. Všetky zariadenia na premenu energie mimo jadrovej energetiky (motory, turbíny, raketové pohony) vyžadujú palivá definované, zušľachtené, takmer bez popolovín, či už v plynnom (svietiplyn, zemný plyn, bioplyn, biometán, synmetán), kvapalnom (bežné aj osobitné kvapalné palivá) alebo tuhom (nitrocelulózové a iné špeciálne palivá) skupenstve. To je aj motív, prečo sa vyvíjajú technológie umožňujúce zušľachťovanie všeobecných foriem surovín s tým, že po využití ľahšie spracovateľných a dostupných zdrojov prichádzajú na rad aj tie, ktoré sú ťažšie spracovateľné, prípadne už vyžadujú inováciu tradičných či vývoj úplne nových postupov a im zodpovedajúcich zariadení.

Dilema dostatočného zdroja

Za dostatočný zdroj sa považujú všetky typy fosílnych zdrojov (odhliadnuc od prognóz ich vyčerpania), ale aj obnoviteľné zdroje, predovšetkým biomasa, či presnejšie fytomasa vznikajúca/obnovujúca sa v prírode fotosyntézou, a prevažná väčšina odpadových organických materiálov. Pretože neexistujú absolútne univerzálne výrobné zariadenia, bude sa rôznorodosť vstupujúcej suroviny javiť ako technologický problém. Všetci technológovia uprednostňujú homogénne a definované suroviny nielen kvôli vlastnej operácii, ale aj preto, lebo z definovanej suroviny vznikajú definovanejšie produkty ako z heterogénnych surovín, pričom produkty netreba ďalej prácne rafinovať. Určite je možné predradiť vlastnej technológii rad operácií triedením až homogenizovaním, ktoré heterogenitu suroviny odstránia. No aj tieto operácie majú svoje hranice a, čo je najdôležitejšie, zvyšujú náklady na spracovanie danej suroviny. Je tu teda voľba – definovaná surovina na vstupe a definované produkty, alebo heterogénna surovina na vstupe a heterogénne produkty. Táto voľba však býva často dosť obmedzená. Napríklad fytomasa je špeciálne heterogénna aj vtedy, keď použijeme iba presne určenú surovinu. Je to dané jej zložením, pretože pozostáva najmä z celulózy, chemicelulóz a lignínu a toto zloženie sa mení nielen podľa typu a druhu fytomasy, ale aj podľa lokality a klimatických podmienok.

Závislosť prírastku rastlín od množstva CO₂ vo vzduchu Pozn.: Skupinu C3 tvorí asi 95 % všetkých rastlín na Zemi. Skupinu C4 tvorí asi 1 % rastlín, ale sú to rastliny ekonomicky veľmi významné ako cukrová trstina, kukurica, sorgo. Zvyšné 4 % rastlín zo skupiny C4 sú ekonomicky nevýznamné púštne rastliny, napr. kaktusy.

Zdroje emisií

Zdrojmi CO₂ sú okrem prírodných erupcií, pozemských biologických procesov a rozsiahlych lesných požiarov predovšetkým fosílne palivá využívané na výrobu energie v určitých priemyselných zariadeniach (železiarne, cementárne, vápenky). Tieto palivá sú aktuálne prvými cieľmi ich znižovania v systéme zachytávania a využívania CO₂, hoci patria medzi tie, ktorých riešenie je najzložitejšie. Ďalšími zdrojmi sú fosílne palivá využívané ako bezpopolné motorové palivá (rafinérske či syntézne); ide o mobilné jednotky (letecké, cestné, koľajové, lodné), zemný plyn, metán, biometán, synmetán ako palivo pre stacionárne zdroje tepla a energie (plynové kotolne, kogeneračné jednotky, kompresorové stanice na prepravu plynu a ropy), zemný plyn ako technologická surovina a biopalivá získané z obnoviteľných zdrojov, a to popolné (štiepka, pelety, brikety) alebo bezpopolné (bioetanol, bioderiváty na báze mastných kyselín z triglyceridov, biometán). V prípadoch zemného plynu, metánu, biometánu, synmetánu ako palív pre stacionárne zdroje tepla a energie, zemného plynu ako technologickej suroviny a biopalív získaných z obnoviteľných zdrojov sa doteraz k riešeniu systému na zachytávanie CO₂ nepristupuje preto, lebo CO₂ produkovaný zo spotrebovaného zemného plynu sa ešte formálne nepovažuje za rizikovú antropogénnu emisiu. Napríklad liehovar s kapacitou 100-tisíc m³/rok bioetanolu z obilnín vyprodukuje asi 40-tisíc ton/rok CO₂ v koncentrovanej forme. Ten však skutočne vzniká z obnoviteľných surovín, a preto sa doteraz považuje za bioprodukt a neprihliada sa naň pri bilancovaní emisií. Vyriešenie tejto úlohy, technicky oveľa ľahšie realizovateľnej, by však výborne kompenzovalo emisie z ostatných náročnejších odvetví.

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 08/2019.

Ak chcete mať prístup aj k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov alebo si objednať tlačenú verziu časopisu Quark, prihláste sa alebo zaregistrujte.

Ing. Julius Forsthoffer, PhD.
Foto Fotky&Foto, Pixabay

Komentáre