Čeští vědci: Urychleně podpořte vývoj nových paliv!

Klíčovou výzvou bude především schopnost elektrickou energii dlouhodobě ukládat. Zásadní je proto využití katalytických technologií, které mění elektrickou a světelnou energii na energii chemických vazeb. „Expertní stanovisko AVex jsme rozeslali zákonodárcům, členům vlády, vedení ministerstev a krajským úřadům. Věříme, že jim poskytne konzistentní informace a nezávislé a nestranné odborné znalosti, které budou moci využít pro svou práci,“ uvádí zástupci Akademie věd. Autory expertního stanoviska jsou: prof. Petr Krtil a dr. Jiří Dědeček z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR.

„Vzhledem k omezené dostupnosti primárních energetických zdrojů a výrazné průmyslové orientaci je Česká republika životně závislá na dovozu energie. V současnosti používané zdroje jsou navíc dominantně fosilního charakteru a jejich budoucí využití bude regulováno a ekonomicky znevýhodněno na evropské úrovni. Náhrada jak vlastních, tak dovážených fosilních zdrojů nízkoemisními a obnovitelnými, jak je popsána ve Vnitrostátním plánu v oblasti energetiky a klimatu, změní revolučním způsobem energetickou koncepci České republiky. S ohledem na energetickou bezpečnost a časový nesoulad mezi produkcí obnovitelné energie a její potřebou, je nutné vyvinout technologie pro dlouhodobé ukládání energie. Dlouhodobé ukládání energie (v řádu týdnů či měsíců) stejně jako interkontinentální transport zatím nejsou dostatečně podporovány současnou technologickou infrastrukturou,“ uvádí autoři expertního stanoviska.

Ve stanovisku se dále uvádí, že pro technologicky pokročilou civilizaci je nezbytný přístup ke zdrojům energie, které nezávisí na geopolitických, meteorologických i klimatických výkyvech a dlouhodobých zvratech. Takové zdroje energie jsou tzv. resilientní (v širším smyslu odolné) a pro každou moderní společnost jsou přinejmenším stejně důležité jako dostupnost potravin, bezpečnost či dosažitelnost vodních zdrojů.

Produkce elektřiny z nefosilních (obnovitelných a nízkoemisních) zdrojů je v současnosti jedinou veřejně diskutovanou alternativní strategií nahrazující fosilní paliva jako energetický zdroj pro koncové technologie. Energetické řešení, které spoléhá na elektrickou energii (zejména obnovitelnou) má ve srovnání se současným energetickým řešením s distribuovanými primárními zdroji jen zanedbatelnou resilienci (odolnost vůči výkyvům v geopolitice, počasí nebo klimatu).

Obnovitelné a většina nízkoemisních zdrojů poskytují energii ve formě elektřiny. „Elektrickou energii nelze uskladňovat ve velkých objemech ani transkontinentálně přepravovat a v případě obnovitelných a nízkoemisních zdrojů ani efektivně regulovat,“ upozorňují vědci.

Dostaneme obnovitelnou energii z Austrálie?

Obnovitelné zdroje – pokud mají plnit důležitou roli primárního energetického zdroje – musí být doplněny o technologie akumulace. Aby se kompenzoval rozdíl mezi produkcí elektrické energie a její spotřebou v různých ročních obdobích, musí existovat dostatečně efektivní výroba alternativních paliv a platformových chemikálií. Těmito alternativními palivy se rozumí eneregeticky bohaté sloučeniny založené na uhlíku či dusíku, které jsou připraveny s pomocí obnovitelné energie. Technologie pro takové výroby však nyní nejsou dostupné.

„Bohužel, žádný z uvažovaných alternativních systémů nesplňuje všechna kritéria. Dostatečně účinnou přímou akumulaci elektrické energie dovolují pouze dva typy chemických systémů: bateriové systémy a alternativní paliva (viz výše), která zahrnují v tomto kontextu i vodík (a navazující systém vodíkového hospodářství). Jejich masivní praktické využití je proto podmíněno významným technologickým pokrokem, který je nutno podpořit specifickými aktivitami v oblasti vědy a výzkumu,“ uvádí dále vědci.

Kapalná paliva připravená z vodíku a oxidu uhličitého – zejména alkoholy a uhlovodíky – jsou jediným vhodným řešením pro transport a dlouhodobé ukládání energie Alternativní paliva mohou využívat existující infrastruktury dálkového transportu, skladování, distribuce a koncového použití.

Zásadní technickou výzvou výroby alternativních paliv je záchyt a koncentrace oxidu uhličitého (v budoucnu jediného volně využitelného zdroje uhlíku) na úroveň nutnou pro průmyslovou výrobu. Koncentrace CO₂ v atmosféře (400 ppm – částic na jeden milion celku) ale nedosahuje úrovně vyžadované chemickými technologiemi. Proto bude třeba systematicky využívat možného synergického navázání výroby alternativních paliv na technologie produkující oxid uhličitý ve vysokých koncentracích typu výroby stavebních hmot (cementárny), kvasných procesů popřípadě v přechodném období i na ostatní (zejména chemické) výroby.

Nepotřebný zemní plyn? Nepalme ho, vyrobme z něj cennou surovinu

Současný energetický koncept sice produkuje značné objemy CO₂, obvykle však v místech s nízkou dostupností vodíku. Proto napojení vodíkových technologií na technologie produkující koncentrovaný CO₂ představuje nutný krok k uzavření uhlíkového cyklu, v němž je CO₂ cennou chemickou surovinou. Kompletní uzavření uhlíkového cyklu pak nezbytně vyžaduje zavedení technologií záchytu atmosférického CO₂. Tyto technologie zatím představují značnou technologickou výzvu.

Obdobně komplikovaná je i vlastní výroba alternativních paliv. Stávající katalytické procesy převádějící oxid uhličitý a vodík na kapalná paliva jsou velmi málo efektivní. Na výrobu jednotkového množství alternativního paliva je třeba vynaložit několikanásobek jeho energetického obsahu7. Zvýšení materiálové a energetické efektivity těchto technologií je proto klíčovou prioritou, pokud mají tyto procesy stabilizovat energetický systém založený na obnovitelných a nízkoemisních energetických zdrojích.

Reakce vedoucí ke kapalným alternativním palivům jsou v principu známy. V průmyslovém měřítku jsou však z energetického i materiálového hlediska značně neefektivní, což omezuje jejich použití jen k výrobě kriticky potřebných produktů. Pokud by tyto procesy měly sloužit k zajištění energetické bezpečnosti, je nezbytné výrazně zlepšit jejich energetickou bilanci (poměr vložené a uskladněné energie).

Všechny tyto technologie jsou založeny na tzv. syntézním plynu (směs H₂ a CO) a v současné době není znám jediný technologicky relevantní katalytický proces, který by umožňoval přímou (tzn. jednokrokovou) konverzi CO₂ na kapalná paliva. Výroba alternativních paliv v rámci bezfosilní energetické koncepce proto nutně vyžaduje zvládnutí technologie výroby syntézního plynu – buď rozkladem methanu (připraveného z CO₂ a vodíku) – nebo například (elektro) katalytickou redukcí CO₂ a následné nízkoenergetické konverze syntézního plynu na kapalné produkty (vysoce účinný „analog Fischer-Tropschovy syntézy“).

Přímá konverze CO₂ na methanol (případně kapalné uhlovodíky) představuje z hlediska materiálové a tím i energetické efektivity výrazně vhodnější řešení. Zcela nové katalytické technologie přímé konverze CO₂ tak představují ideální řešení a jejich vývoj je klíčovou výzvou pro rozvoj technologií alternativních paliv.

„Probíhající změna energetického konceptu zásadním způsobem promění fungování České republiky a život jejích obyvatel. Postupný odklon od fosilních paliv je klíčovou výzvou pro celou společnost a její zvládnutí je zásadní pro další chod společnosti. Jedinou možnou strategickou reakcí České republiky je v současné době intenzivní investice do vývoje nových technologií ukládání energie založených na (elektro)katalytických technologiích za maximální veřejné podpory,“ uvádí vědci v závěru svého expertního stanoviska.

Zároveň věří, že cílenou podporou základního a aplikovaného výzkumu a průmyslové implementace zejména v oblasti vodíkových technologií a alternativních paliv by Česká republika mohla získat konkurenční výhodu. Z tohoto pohledu se Česká republika nachází v relativně dobré pozici díky dlouhodobě kvalitnímu základnímu i aplikovanému výzkumu v katalytických a elektrokatalytických oborech. Výzkumná základna je zároveň schopná synergicky spolupracovat s chemickým průmyslem, který je mimořádně motivován k defosilizaci a integraci obnovitelných zdrojů energie z důvodu zachování rentability. Tyto aspekty vytvářejí postačující záruky účelnosti veřejné podpory.

Inovativní přístup k výrobě pokročilých biopaliv, která reagují na globální poptávku po udržitelné energii a snižují závislost na fosilních palivech, má být výsledkem prestižního evropského projektu GlaS-A-Fuels: Single-Atom Photocatalysts Enhanced by a Self-Powered Photonic Glass Reactor to Produce Advanced Biofuels. Evropská rada pro inovace jej podpořila částkou 800 tisíc eur. Jedním z partnerů projektu jsou kromě týmů z Německa, Itálie a Řecka také vědci z Materials-Envi Lab Centra energetických a environmentálních technologií na VŠB-TUO.

Do výzkumu se zapojí mezinárodní tým zahrnující odborníky z různých oborů včetně chemie, fyziky, materiálových věd, katalýzy a laserových technologií. Hlavním cílem projektu je využít technologii, která přeměňuje odpadní biolíh (bioetanol) na pokročilá biopaliva, jako jsou butanol a vodík. Tato biopaliva mají vysoký energetický obsah a jsou kompatibilní se současnými motory a infrastrukturou pro distribuci paliv.

„Pro přeměnu biolihu na butanol a vodík budeme využívat sluneční záření jako zdroj energie a atomární katalyzátory, který dovolí urychlit a řídit chemickou reakci. Inovace spočívá také v konstrukci fotonického skleněného reaktoru, který využívá světlo a termoelektrický modul pro zvýšení účinnosti přeměny bioetanolu. Díky těmto zásadním inovacím bude výrazně zvýšena selektivita přeměny bioetanolu a zvýšena produkce vodíku jakožto zeleného paliva. Právě nízká selektivita a tvorba nežádoucích meziproduktů či vedlejších produktů je jeden z největších problémů stávajících technologií výroby,“ objasnil vedoucí řešitelského týmu z VŠB-TUO Aristeidis Bakandritsos.

Doposud používané fotokatalyzátory prozatím nevykazují dostatečnou selektivitu a účinnost přeměny biolihu na butanol a vodík. Vědci zapojení do projektu GlaS-A-Fuels využijí k přeměně bioetanolu recyklovatelné a účinné atomární katalyzátory z běžně dostupných prvků.

„Naše role bude především v oblasti vývoje vlastních katalyzátorů, kde chceme využít zkušenosti z oblasti grafenové chemie a atomárního inženýrství. Cílem je nahradit drahé kovy, jako jsou zlato nebo platina, maximalizovat využití sluneční energie a účinně řídit chemický děj směrem k energeticky klíčovým produktům, kterými jsou vodík a butanol. Budeme se věnovat také optimalizaci výroby katalyzátorů v poloprovozním měřítku a technologickému řešení jejich recyklace,“ řekl další člen týmu a vedoucí Material-Envi Lab Radek Zbořil.

Projekt GlaS-A-Fuels byl slavnostně zahájen 22. března v řeckém Heraklionu a potrvá až do srpna 2027. Koordinují jej odborníci z Institute of Chemical Engineering Sciences (ICE-HT), jednoho ze zakládajících institutů řecké výzkumné sítě FORTH (Foundation for Research and Technology, Hellas). Spolu s VŠB-TUO jsou partnery rovněž kolegové z Univerzity v italském Terstu, Leibnizův institut pro výzkum polymerů v Drážďanech a výzkumný ústav Core Kentro Kainotomias Amke v Řecku.