Jak naložit s oxidem uhličitým

Oxid uhličitý, ikona moderní apokalypsy. Za běžných podmínek plyn bez barvy, chuti i zápachu, těžší než vzduch, jehož je v atmosféře z hlediska celkového objemu jen zanedbatelně, pouze setiny procenta. Navzdory tomu změny v jeho koncentraci ovlivňují její termodynamiku, protože se podílí na kumulaci tepla ze slunečního záření, a tím i klimatické podmínky. Zatímco pro živočichy není dýchatelný, ale ani jedovatý, pro rostliny je životně důležitý.

Současné zvyšující se hladiny oxidu uhličitého na úrovni setin procenta jsou přisuzované v podstatné míře lidské činnosti – využívání fosilních paliv, stavební činnosti, odlesňování nebo intenzivnímu zemědělství. Reakcí na tento trend jsou snahy o drastické omezení či přímo zastavení jakékoli produkce oxidu uhličitého. Je to ale smysluplné, technicky proveditelné a dlouhodobě udržitelné řešení, ať z environmentálního, nebo ekonomického hlediska? Nezdá se.

Za prvé, atmosféra ani příroda nejsou triviální systémy, v nichž fungují jednoduchá řešení typu „snižme hodnotu jedné veličiny a vše ostatní se spraví samo“. Za druhé, unáhlené zákazy či „pokutování“ dosavadních technologií produkujících oxid uhličitý, aniž by za ně byla funkčně i ekonomicky srovnatelná náhrada, způsobí pokles životní úrovně i prudké snížení ekonomické výkonnosti, a tudíž prostředků do výzkumu a vývoje ekologických cest jak k výrobě energie, tak k dalšímu využití oxidu uhličitého v průmyslu a zemědělství.

Chyť mě, když to dokážeš

V současnosti funguje několik v praxi již osvědčených technologií na zachytávání oxidu uhličitého z průmyslových procesů. Podobně jako byly v devadesátých letech „odsířeny elektrárny“, je dnes možné spaliny kompletně vyčistit i od oxidu uhličitého. Používají se k tomu například takzvané vypírací roztoky na bázi etanolaminů rozpuštěných ve vodě, na něž se naváže, a po zahřátí takto nasyceného roztoku na teplotu 140 stupňů Celsia lze získat čistý oxid uhličitý, jenž se stlačí nebo zkapalní a bezpečně přepraví k dalšímu použití.

Na jiném principu, ale stejně spolehlivě funguje zachytávání oxidu uhličitého pevnými adsorbenty nebo takzvanými vysokoteplotními karbonátovými smyčkami. V minulosti byly tyto technologie považované za spolehlivé, ale ekonomicky příliš nákladné – tuna takto získaného oxidu uhličitého přišla zhruba na 30 až 40 eur. Jenomže dnes, kdy cena za emisní povolenku vzrostla na 100 eur za tunu, se již o ekonomické sebevraždě při zachytávání oxidu uhličitého hovořit nedá.

Jde o zásadní, i když jen o první polovinu řešení. Druhá spočívá v tom, co se bude se zachyceným oxidem uhličitým následně dít. I v tomto případě již existují v praxi osvědčené postupy, které lze rozdělit na dva hlavní směry – ukládání a zpracování. První představuje technologie CCS (Carbon Capture and Storage), kdy se zachycený oxid uhličitý přepravuje do podzemních úložišť. Tam přechází do superkritické fáze a rozpuštěn v solance reaguje v řádech stovek let s okolními horninami, takže zpět na povrch už neunikne.

Podobně funguje vtláčení oxidu uhličitého do ropných vrtů, díky čemuž se zvyšuje jejich výtěžnost – za objem vtlačeného oxidu uhličitého se získá přibližně stejný objem ropy nebo plynu. V podstatě nejde o nic „nepřirozeného“, na Zemi existuje řada geologických systémů, v nichž je tento plyn podobným způsobem přirozeně deponován v hlubokých vrstvách dlouhá tisíciletí.

S geologickými úložišti, zejména s jejich spolehlivostí (bezpečností), jsou dlouholeté zkušenosti – jen na území Česka je uskladněno v podzemních zásobnících neuvěřitelných 3,5 miliardy kubických metrů zemního plynu. Za tu dobu nastal jediný únik před 30 lety a na vině nebyla fyzická netěsnost, nýbrž lidské zanedbání.

Podle nejnovější studie České geologické služby se v Česku nacházejí i další vhodné podzemní rezervoáry, v nichž by bylo možné část současné „nadprodukce“ oxidu uhličitého z průmyslových procesů (nejen z elektráren, ale i třeba z cementáren či spaloven odpadů) uskladňovat 50 až 60 let.

Otázkou zůstává, zda je nutné a vhodné ukládat všechen zachycený oxid uhli­čitý hluboko pod zem, když ho mnoho odvětví využívá jako cennou surovinu a do budoucna se bez něho neobejde. I tento problém řeší vědci a technici již řadu let – CCU (Carbon Storage and Utlizitation) je ještě o něco starší než technologie CCS. A i zde existují dva hlavní směry – jednak využití oxidu uhličitého jako ‚média‘ ve výrobních procesech, jednak přímo jako „stavebního kamene“.

Zachytit a využít

Příkladem prvního směru, který se – zatím jen v omezené míře – aplikuje již od osmdesátých let, je jímání oxidu uhličitého ze spalin, jeho následné čištění na „potravinářskou kvalitu“ a poté použití pro sycení nápojů. Dnes má podobnou technologii například Plzeňský Prazdroj – zachytává oxid uhličitý produkovaný kvasinkami při zrání piva, který by jinak unikal do atmosféry (v Česku je to podle celkového výstavu piva ročně kolem dvou milionů tun oxidu uhličitého), a používá ho jako ochrannou atmosféru pro stáčení a přečerpávání piva. Oxid uhličitý sice znovu do atmosféry unikne, ale díky jeho použití jsou velké úspory energie, tudíž se i zamezí vzniku dalších emisí.

Oxid uhličitý lze použít také v energetice. Jedním z příkladů je technologie OxyFuel, která používá směs kyslíku a oxidu uhličitého pro čisté spalování uhlí v elektrárnách. Spaliny díky tomu neobsahují žádný dusík a sníží se podstatně jejich objem, navíc se z nich dá oxid uhličitý opět v čisté podobě získat zpět a teprve poté jeho přebytky dopravit do podzemního úložiště. Opět se tím ušetří mnoho energie a dalších emisí.

Jeden z nejnadějnějších konceptů, jak zachycený oxid uhličitý využít, je jeho konverze na uhlovodíkové palivo. Uhlík v oxidu uhličitém se však nachází v silně oxidovaném stavu, proto je na výrobu paliva potřeba energie i silný katalyzátor reakce. Aby při této konverzi nenastávaly další nežádoucí emise, měla by energie potřebná k reakci pocházet z bezemisních nebo nízko­emisních zdrojů.

Mezi nejslibnější syntetická paliva patří methanol, dimethylkarbonát (DMC) a dimethylether (DME) – ta by se dala využít jak elektrárnách, tak v dopravě, zejména v těžké nákladní a námořní a v letectví, kde je elektromobilita stále velmi vzdálená.

Uvěznit na doživotí

Jinou perspektivní cestou je použití oxidu uhličitého k výrobě umělých hmot, do nichž jsou atomy z jeho molekul přímo zabudované, a proto neunikají do atmosféry. V praxi se to již více než deset let děje například v pilotním zařízení v německém Leverkusenu, v němž je oxid uhličitý z elektrárny v Niederaussemu u Kolína v průmyslovém měřítku slučován s propylenoxidem. Výsledkem je světlá, viskózní substance polyol, stavební kámen k výrobě polyuretanu (ten se dnes mimo jiné používá k zateplení domů).

Oxid uhličitý lze také použít k „zabudování“ do rostlinných tkání a zrychlení jejich růstu, a to nejen ve sklenících. Uplatnil by se skvěle při kultivaci řas, které jsou slibným zdrojem obnovitelné energie díky vysokému obsahu bílkovin a olejů. Mohou být využity jako krmivo i k výrobě bio hnojiv nebo k čištění odpadních vod.

Jeden kilogram řas je schopný v biologickém uhlíkovém cyklu uskladnit až 1,8 kilogramu oxidu uhličitého. Olej z řas může být společně s řasovou biomasou využit i jako zdroj energie – olej se konvertuje na bio diesel a řasová biomasa na syngas. Pokud by se oxid uhličitý při spalování těchto paliv zachytil a opět použil na kultivaci řas, šlo by o palivo s téměř nulovými emisemi oxidu uhličitého.

Desítky uplatnění

Možností dalšího využití oxidu uhličitého jsou dnes desítky – v průmyslu, zemědělství, ve spotřebitelské sféře. Jen namátkou ty, co se již v nějakém rozsahu používají nebo alespoň testují:

Oxid uhličitý jako ochranná atmosféra při výrobě, zpracování a balení potravin a nápojů.

Extrakce chmele, kávy, koření a bylin zaručující šetrné zachování všech účinných látek, živin, vitamínů, aroma.

Extrakce krystalického oxidu titaničitého, který má široké uplatnění, od nátěrových hmot přes lambda sondy v automobilech a nejmodernější solární články až po medicínu, kde se používá k bezproblémovému srůstu kostí s implantáty.

Oxid uhličitý pro depozici nanovrstev v mikroelektronice.

Oxid uhličitý jako médium v chladicích zařízeních nebo tepelných čerpadlech.

Oxid uhličitý jako „hnací plyn ve sprejích“ – ekologičtější volba než dosud široce užívané těkavé uhlovodíky.

Impregnace dřeva pomocí oxidu uhličitého v superkritickém stavu, čímž se nahradí organické impregnační roztoky; to samé platí pro suché čištění textilií, kde použití oxidu uhličitého prodlouží životnost oděvů téměř o polovinu ve srovnání s organickými rozpouštědly.

Oxid uhličitý jako ochranná atmosféra při svařování nebo při vytvrzování, což rovněž vede k významným úsporám energie.

Nepřímá akumulace elektrické energie z obnovitelných zdrojů – redukce oxidu uhličitého na metan Sabatierovou reakcí, takzvaný Power-to-gas, přičemž metan lze využít k výrobě elektřiny a tepla kogenerací jako palivo nebo „syntetický zemní plyn“.

Každá z uvedených možností má svoje pro i proti, zejména z ekonomického hlediska. A žádná není samospasitelná, pokud jde o významné omezení emisí oxidu uhličitého. Ale všechny v rozumně promyšlené kombinaci – jak technologie využití oxidu uhličitého (CCU), tak jeho ukládání (CCS) – mají velký potenciál znovu „narovnat“ přirozený cyklus uhlíku, který vychýlila průmyslová revoluce.

V následujících číslech přineseme rozhovory s odborníky, kteří se (nejen u nás) dlouhodobě zabývají využitím oxidu uhličitého, popíšeme detailně všechny možnosti, které dnes v této oblasti existují, a za jak dlouho (i za jakou cenu) lze očekávat jejich širší využití.