Čtvrtek 30. května 2024
ikona hodiny6. 4. 2024 07:00

Čeští vědci: Urychleně podpořte vývoj nových paliv!

Česká republika by měla urychleně podpořit základní i aplikovaný výzkum vodíkových technologií a výroby alternativních paliv na bázi uhlíku, které se jeví jako vysoce perspektivní a pro přechod od fosilních paliv na bezemisní zdroje zcela zásadní. Tvrdí to aktuální expertní stanovisko Akademie věd AVex.

Markéta Růžičková autor

Martina Šaradínová spoluautor

Daniel Mrázek spoluautor

Foto: Shutterstock.com Foto: Shutterstock.com

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).

Současná energetická koncepce

Současná roční energetická potřeba České republiky přesahuje 480 terawatthodin (1 TWh / terawatthodina = 109 kWh /kilowatthodin). Tuto potřebu pokrývá energetický systém primárně fosilními zdroji (uhlí, ropa, zemní plyn). Česká republika není energeticky soběstačná a její potřeby pokrývají domácí zdroje (uhlí) jen z menší části; z větší části je zabezpečuje dovoz (ropa, zemní plyn). Výsledný energetický mix doplňuje elektřina z jaderných elektráren (6 %) a energie

obnovitelných zdrojů a odpadů (do 13 %).Bezpečnost energetického systému zajišťují energetické rezervy (zhruba 10 % celoroční potřeby), které tvoří zemní plyn (35 TWh) a ropa (23 TWh). Tyto rezervy doplňují existující těžbu uhlí a jsou postačující pro provoz klíčové infrastruktury během krizových situací.

Předpokládaná energetická koncepce 2020–2035

Současná energetická koncepce není dlouhodobě udržitelná. Česká republika má omezené portfolio primárních surovinových energetických zdrojů, z nichž je v současné době masivně využíváno uhlí a v omezeném rozsahu i uran4. Tyto zdroje jsou dostatečně a přesně známy a byly by v principu schopny podporovat energetický systém ve střednědobém horizontu. Je však vysoce pravděpodobné, že těžba uhlí a jeho energetické využití přestanou být ekonomicky výhodné již před rokem 2030 především z důvodu nízké ekologické přijatelnosti.

Tato skutečnost staví Českou republiku do nebezpečné pozice takřka úplné závislosti na importu energie, a to i v případě, že dojde k mobilizaci alternativních nízkoemisních a obnovitelných energetických zdrojů.

Kompletní pokrytí energetické potřeby České republiky těmito zdroji by znamenalo buď instalaci asi 48 GW výkonu v jaderných elektrárnách, nebo instalaci více než 3000 km2 solárních elektráren. Obě uvedená technologická řešení jsou mimořádně nákladná a vyžadují alokaci investic v rozsahu násobků ročního HDP České republiky. Žádné z nich však neumožňuje produkci dle potřeby. Solární energetika navíc vykazuje principiální časový nesoulad mezi produkcí energie a její potřebou během ročního cyklu.

Tento nesoulad lze částečně minimalizovat v případě nízkoemisních zdrojů, které však mají omezenou regulovatelnost v krátkodobé časové škále (dnů či týdnů). Provoz jaderných zdrojů může být dále limitován dostupnou kapacitou vodních zdrojů pro chlazení v období sucha.

Je třeba rovněž zdůraznit, že změna energetické koncepce zahrnuje opuštění paliv, která lze s přijatelnými náklady transportovat na velké vzdálenosti a používat k vytváření dlouhodobých strategických energetických rezerv. Ty v současnosti zajišťují přes 80 % energetických potřeb společnosti.

Jak energii akumulovat

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.

Akumulační systémy by měly (v pořadí sestupné důležitosti):

  • podporovat přímou akumulaci elektrické energie
  • umožnit lokální (tj. distribuované) použití nezávislé na síti
  • být založeny na široce dostupných surovinách, aby bylo možné
  • je masově používat
  • mít vysokou hustotu energie (objemovou i hmotnostní)
  • být využitelné jako surovina v dalších technologických oborech

„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.

Bateriové systémy

Bateriové systémy jsou vyvíjeny desítky let. Nejpokročilejší Li-iontové systémy jsou komerčně dostupné a jejich masivní nasazení se v nejbližší budoucnosti předpokládá zejména v osobní dopravě. Z hlediska stabilizace nového bezfosilního energetického konceptu jsou však bateriové systémy málo perspektivní, především z důvodu jejich velmi nízké energetické hustoty (viz kritérium iv), která neumožňuje ukládání relevantních objemů energie. Představují tak pouze vynucené řešení nezbytné ke krátkodobé stabilizaci sítě.

Bateriové systémy jsou z podstaty nevhodné k zajišťování krizových energetických rezerv, a to i za předpokladu, že se urychleně podaří vyvinout tzv. post-lithiové technologie (baterie s Si anodami, Na baterie atp.). K pokrytí kapacity současných kritických energetických rezerv ČR by bylo třeba instalovat bateriové úložiště o hmotnosti 365 milionů tun, což je mimo ekonomické i ekologické možnosti ČR.

Je třeba vést v patrnosti, že osobní silniční přeprava, v níž je aplikace bateriových systémů nejpokročilejší, představuje pouze 15 % energetické spotřeby ČR. Proto její elektrifikace sama o sobě nepovede k průlomové změně energetické koncepce (a řešení jejích environmentálních dopadů). Z těchto důvodu lze mít za to, že bateriové systémy nemají potenciál, aby se staly klíčovým technologickým řešením umožňujícím novou energetickou koncepci.

Vodík

Vodík a na něj navázaný technologický ekosystém splňuje většinu kvalitativních kritérií s výjimkou dostatečné objemové hustoty energie. V důsledku těkavosti pak může negativně přispívat ke skleníkovému efektu. Proto je z principu málo vhodný pro interkontinentální transport a dlouhodobé skladování energie. Tyto nevýhody kompenzuje široká škála možného použití. Lze jej buď zpětně konvertovat na elektřinu (palivové články), tepelnou energii (spalování). Je rovněž klíčovým komponentem výroby nových chemických vektorů (alternativní paliva, hnojiva, metalurgie), které jsou vhodné k transportu i dlouhodobému skladování energie. I když vodík sám o sobě nebude s největší pravděpodobností finálním energetickým vektorem budoucnosti, jeho efektivní výroba je nutnou podmínkou masivní integrace obnovitelných energetických zdrojů do energetické koncepce.

Vodík je běžnou a nutnou komoditou v chemickém průmyslu. Environmentálně přijatelná elektrolytická výroba vodíku se masově nevyužívá především kvůli vysokým provozním nákladům a závislosti na materiálech, např. na bázi platinových kovů (platiny, iridia a ruthenia), nebo pokročilých polymerních membrán. Například anody pro kyselou elektrolýzu vody závisejí na sloučeninách iridia, které je jedním z nejméně zastoupených prvků v zemské kůře. Celosvětová využitelná roční produkce iridia je schopna zajistit instalaci zhruba 1 GW elektrolytického výkonu (jen asi 3 % celkové roční energetické potřeby ČR). Rovněž absence vhodných polymerních elektrolytů pro alkalické prostředí je zásadním omezením vývoje elektrolyzérů pro elektrolýzu vody v alkalickém prostředí. Absence vhodných materiálů kriticky omezuje implementaci vodíkových technologií. Vývoj nových materiálů pro výrobu vodíku, založený na pochopení využívaných chemických procesů na atomární úrovni, je proto klíčovou výzvou pro současnou vědu a výzkum.

Katalytické technologie: budoucnost ukládání energie

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

Cyklické uhlíkové hospodářství

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.

Vývoj biopaliv nové generace v praxi: projekt GlaS-A-Fuels

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.

Články autora Markéta Růžičková

Nejnovější články

Expertní pohled
Nefinanční data představují nové bohatství firmy

V oblasti vztahů mezi firmou se svými spotřebiteli...

Veškeré popsané aktivity přitom mají jeden společný cíl...

Cestovní ruch
Prague City Tourism láká na letní dovolenou v Praze

„Všechny marketingové kampaně město financuje z vybraného poplatku...

Kromě výše zmíněných dvou kampaní i letos pokračuje...

Expertní pohled
Bankovní daň opět na stole

V minulých letech se do českého daňového systému...

Konečně, existují jiné způsoby, jak vlády mohou získávat...

Nejnovější Aktuality

Komora.cz
„Flexinovela“ zákoníku práce pomůže i rodičům malých dětí

Skloubit péči o děti, zároveň si udržet kontakt...

„Plánované změny pomohou trhu práce v Česku. Zaměstnanci,...

Cestovní ruch
Nekalé praktiky falešných turistických průvodců skončí

Například tržní řád hlavního města Prahy vymezuje území,...

„Jsem rád, že se podařilo najít formulaci, která...

„Od ledna 2025 si slušní poskytovatelé průvodcovských služeb...

Komora.cz
Zaměstnavatelé novelu zákoníku práce uvítají

Současná praxe, kdy může být výpověď z pracovního...

S tím úzce souvisí další změna zákoníku práce,...