Syntetická paliva – power to gas, power to liquid: výroba a účinnost

Takto lze vyrobit většinu průmyslových uhlovodíků jako plyn, benzín, parafín, líh, petrolej, naftu a další. Syntetická paliva jsou pak využitelná úplně stejně, jako jejich fosilní protějšky a to jak energeticky pro vytápění nebo pohon vozidel, tak materiálově při výrobě plastů a kosmetiky. Oproti klasickým fosilním palivům mají e-paliva pět hlavních výhod:

1. Je to nízkouhlíková (low carbon) nebo uhlíkové neutrální technologie. Záleží na zdrojích elektřiny, vodíku a uhlíku.
2. S pomocí e-paliv lze dekarbonizovat i sektory, které se bez fosilních paliv neobejdou, třeba výrobu plastů.
3. Umožňují skladování elektřiny po delší dobu. Bez nadsázky jde letní přebytky elektřiny z fotovoltaiky uskladnit na zimu v podobě syntetického metanu a v zimě ho spalovat v domácím plynovém kotli.
4. Jsou čistá, obsahují jen uhlík a vodík, žádné nežádoucí příměsi. Ovšem i při jejich spalování vznikají škodlivé látky, typicky oxidy dusíku NO_x. Stejně tak je např. syntetický metan stejně silným skleníkovým plynem, jako přírodní metan.
5. Umožňují zvýšení energetické soběstačnosti a bezpečnosti. Dají se vyrobit všude, kde je dostupný zdroj vody a čisté elektřiny.

Vedle toho si syntetická paliva zachovávají všechny výhody fosilních paliv jako nosiče energie, zejména rozvinutou a dostupnou infrastrukturu pro skladování, dopravu a čerpání. Případně se mohou s fosilními palivy míchat. To jsou obrovské výhody, které jejich využívání významně usnadňují.

Proti tomu všemu stojí dvě zásadní nevýhody:

1. Nízká energetická účinnost – přeměna elektřiny na jinou formu energie znamená energetické ztráty. A protože přeměn energie je při výrobě syntetických paliv hned několik, mohou být ztráty tak vysoké, že se akumulace touto cestou v mnoha případech nevyplatí.
2. Náročnost výroby – výroba syntetických paliv je velmi náročná. Důvodem je snaha o minimalizaci emisí CO₂, což je základní podmínka výroby a využití syntetických paliv. Tato podmínka jejich výrobu i využití zásadně komplikuje. Zároveň ukazuje, jaký obrovský komfort nám zajišťují fosilní paliva, pokud nebereme ohled na znečištění, které z jejich používání vyplývá.

Jak se vyrábí syntetická paliva? Potřebujeme čistou elektřinu, vodík, uhlík a technologie

Při pohledu na čtyři položky receptu to vypadá nadějně – vodík je obsažen ve vodě a uhlíku máme v atmosféře takový přebytek, že nám otepluje planetu. Fotovoltaiky jsou plná pole a s technologiemi si nějak poradíme. Každý krok výroby syntetických paliv však zahrnuje nějaké podstatné „ale“ a často ne jedno. Začneme u elektřiny.

Kapitoly článku:

1. Čistá elektřina
2. Vodík
3. Uhlík
4. Technologie
5. Účinnost
6. Vyplatí se to?

I. Elektřina musí být čistá…

Cílem využívání syntetických paliv je snižování emisí CO₂ a zdravější životní prostředí. Aby masové využívání syntetických paliv dávalo smysl, musí být pro jejich výrobu použita bezemisně získaná elektřina, tedy z elektřina z obnovitelných nebo jaderných zdrojů. Nedává smysl využívat fosilní palivo a vypouštět emise, abychom se ztrátami vyrobili podobné nebo totožné syntetické palivo.

… čisté elektřiny musí být HODNĚ

Abychom mohli elektřinu ukládat do syntetických paliv, musíme ji napřed vyrobit. A nesmí to být ledajaká elektřina, musí to být čistá, bezemisně vyrobená elektřina. Přitom až na výjimky (např. Norsko, Island) platí, že čisté elektřiny je málo. Při pohledu na výrobu elektřiny v Evropě to nemusí být na první pohled patrné. Vždyť 60 % evropské elektřiny v roce 2019 pocházelo z bezemisních zdrojů, z OZE a jádra, což budí zdání, že už jsme za polovinou. Ovšem je-li cílem dekarbonizace, musí bezemisní zdroje pokrýt nejen výrobu elektřiny, ale i spotřebu energie v ostatních sektorech, především v teple a v dopravě. To znamená, že pro dekarbonizaci potřebujeme výrazně více čisté elektřiny.

Přitom navzdory přibývajícím rekordům v instalaci obnovitelných zdrojů a po téměř 70 letech využívání jaderné energie pro výrobu elektřiny je lidská civilizace na počátku třetí dekády 21. století v naprosté většině poháněna fosilními palivy. Z grafu světové spotřeby energie je patrné, že zdroje pro bezemisní výrobu elektřiny – obnovitelné zdroje a jaderná energie – tvoří tři nejtenčí proužky na grafu.

Pokud bychom chtěli spotřebu fosilních paliv, tři největší plochy na grafu, nahradit čistou elektřinou, potřebovali bychom obnovitelných i jaderných zdrojů násobně více než dnes. Než uvažovat o kolik solárních polí, větrných farem nebo jaderných reaktorů musíme postavit více, abychom měli adekvátní kapacitu, je vhodnější přemýšlet, kolikrát více obnovitelných zdrojů nebo jaderných reaktorů bude potřeba postavit (provozovat, udržovat/opravovat, odstavit, zlikvidovat/recyklovat). Na rozdíl od přírůstků si lze násobky současné instalované kapacity velmi těžko představit. Vážně míněná dekarbonizace proto v první řadě znamená snížení spotřeby energie, abychom si u takto náročného úkolu „snížili laťku“. K této větě se vrátíme v kapitole o účinnosti.

Přebytky nestačí

Idea dlouhodobé akumulace je, že s přibývajícími obnovitelnými zdroji v soustavě bude přibývat i dnů, kdy je čisté elektřiny přebytek a je levná. V takových chvílích by elektřina směřovala do výroby syntetických paliv a ukládala se na později. Jenže:

1. zařízení na výrobu syntetických paliv mají velmi vysoké investiční náklady (technologie) a relativně nízké provozní náklady (elektřina, voda, CO₂). Ekonomicky životaschopná instalace proto vyžaduje provoz na plný výkon a co nejdelší dobu. Německá studie [1] věnovaná ekonomice syntetických paliv uvádí alespoň 3–4 tisíce hodin provozu ročně. Taková výroba se nemůže spoléhat na příležitostné přebytky v síti.
2. má-li se jednat o bezemisní záležitost, nepočítají se všechny přebytky elektřiny, ale jen takové, kdy 100 % poptávky po elektřině pokryjí bezemisní zdroje a ještě je čisté elektřiny přebytek. Taková situace zatím nenastává často, natož na větším území (záleží, k čemu vztahujeme oněch 100 %).
3. dostupnost přebytků limituje i přenosová kapacita a další možnosti akumulace, které budou výrobě syntetických paliv konkurovat jak energetickou účinností, tak cenou. Tedy přebytky čisté elektřiny se budou nejprve ukládat do baterií, elektromobilů a další flexibility, a teprve co zbyde, půjde na výrobu syntetických paliv – za podmínky, že bude volná přenosová kapacita.

Studie říká, že rentabilní výroba syntetických paliv vyžaduje vlastní zdroj, který bude dodávat čistou elektřinu (a případně teplo), dlouho, levně a přednostně pro výrobu syntetických paliv. Jinak řečeno, pro velkovýrobu syntetických paliv jsou zapotřebí koncentrované a stabilní zdroje levné čisté elektřiny, které nebudou sloužit k pokrytí okamžité spotřeby. Najít něco takového je náročnější, než se zdá.

Ideální scénář představuje samostatný obnovitelný zdroj alokovaný výhradně na výrobu syntetických paliv. Množství vyrobeného syntetického paliva je přímo úměrné velikosti zdroje a době provozu. Tedy aby se výroba syntetických paliv vyplatila, potřebujeme velký zdroj, který poběží dlouho, studie říká alespoň 3000 hodin ročně. Tyto zdánlivě banální podmínky vyřazují ze hry všechny fotovoltaické elektrárny v Evropě (málo hodin provozu za rok) a většinu pevninských větrných farem (méně hodin provozu a nižší výkon než námořní zdroje). Tím se nám vhodné zdroje pro výrobu syntetických paliv v Evropě zužují na námořní (offshore) větrné farmy, islandské geotermální a norské vodní elektrárny – určené výhradně na výrobu syntetických paliv. Jelikož většina obnovitelných zdrojů bude primárně určena na přímé pokrytí okamžité spotřeby, znamená to, že v rámci Evropy jsou kapacity obnovitelných zdrojů pro výrobu syntetických paliv poměrně omezené. Dobu provozu fotovoltaiky a větrníků lze samozřejmě prodloužit i kombinací zdrojů nebo instalací baterií, ale to celou výrobu dále komplikuje a prodražuje.

Úvahy potvrzuje i zmíněná studie [1], která říká, že pokud by Německo mělo začít ve velkém využívat syntetická paliva, muselo by je dovážet, protože v rámci Německa nejde tak vysoký výkon obnovitelných zdrojů instalovat.

Koncepčně sem dobře zapadají jaderné elektrárny. O koncentrovaný zdroj se nepochybně jedná a i pro ně je ideální běžet co nejdelší dobu na plný výkon. Při napojení na výrobu vodíku nebo syntetických paliv by nehrozilo, že jejich výkon přijde vniveč (bude se prodávat za zápornou cenu) ve dnech nižšího zatížení, kdy zvládnou poptávku pokrýt obnovitelné zdroje. Navíc jsou zdrojem tepla, které lze využít pro některé typy elektrolýzy (viz níže). Postavit jadernou elektrárnu vyhrazenou pro výrobu syntetických paliv by bylo extrémně nákladné a rozhodně by se nejednalo o běžné řešení. Naopak přidružení rafinerie nebo alespoň elektrolýzy k jaderné elektrárně a vyčlenění části výkonu na výrobu syntetických paliv vypadá mnohem schůdněji. Rozvoj jaderných elektráren však v Evropě z řady důvodů – včetně finančních – nejspíš nebude masovou záležitostí.

Další možností je stavět provozy na výrobu syntetických paliv v oblastech s dobrými přírodními podmínkami pro využití různých druhů OZE. Taková vize zahrnuje například obří solární farmy kolem rovníku. Ty by všechen svůj výkon směrovaly do výroby syntetických paliv, která by se následně transportovala úplně stejně, jako dnešní ropa nebo LNG. Rozloha takových solárních parků by byla v řádu kilometrů čtverečních, ale v kontextu Sahary by to byl jen nepatrný zlomek jinak pusté krajiny (zastínění pouště fotovoltaikou navíc skýtá další zajímavé možnosti). Technicky zde stavbě obřích zdrojů nic nebrání, vyvstává však otázka politické stability regionů, kde by se měly nacházet nové strategické zdroje energie. Další věc je, že idea dovozu syntetických paliv sice vyhovuje dekarbonizaci, ale míjí se s požadavky energetické soběstačnosti a decentralizace.

Proč by se vlastně nemohla elektřina pro syntetická paliva získávat kombinací výše uvedených zdrojů? Většinu by kontinuálně vyráběly jaderné elektrárny, za dobrého počasí by svým dílem přispěly obnovitelné zdroje, tím by se zužitkovaly občasné přebytky a část by se dovezla. To se jeví jako mnohem snadnější scénář. Zahrnuje však pro řadu aktérů obtížně přijatelné jaderné elektrárny a i s nimi bude zatištění dostatku bezemisní elektřiny pro výrobu syntetických paliv náročný úkol… a to jsme teprve u elektřiny.

II. Vodík vezmeme z vody…

Základním e-palivem a zároveň základní vstupní surovinou pro výrobu složitějších syntetických paliv je vodík. Jedná se o nejhojnější prvek ve vesmíru, přesto není snadné ho získat. Vodík je velmi reaktivní a v čisté podobě se na Zemi téměř nevyskytuje, vždy je navázaný ve sloučeninách. Abychom získali vodík, je potřeba ho z těchto sloučenin nejprve „oddělit“. A samozřejmě takovým způsobem, při kterém nevznikají nežádoucí emise.

Tento požadavek vylučuje dnes nejběžnější způsoby získávání vodíku: z fosilních paliv. Nejčastěji se jedná o parní reforming zemního plynu, parciální oxidaci ropných frakcí a zplyňování uhlí. Kromě vodíku se při těchto procesech uvolňuje oxid uhličitý, což činí tyto zdroje vodíku nežádoucí. Všechny uvedené procesy ale hlavně stojí energii, při získávání vodíku tedy dochází k energetickým ztrátám. Než využívat fosilní paliva na výrobu vodíku pro energetiku, je výhodnější energeticky využít fosilní paliva rovnou.

… stojí to energii…

Z hlediska emisí vychází lépe získávání vodíku elektrolýzou (rozkladem) vody stejnosměrným proudem, kde jsou jedinými vedlejšími produkty čistý kyslík a teplo. Kromě elektřiny je tak potřeba i voda. Elektrolýza může probíhat více způsoby a každý má své výhody a nevýhody:

• alkalická elektrolýza je průmyslově zvládnutá, levná a poměrně snadná, probíhá za nízkých teplot, ale zároveň s nižší účinností a malou flexibilitou.
• elektrolýza využívající polymerní membránu (PEM) je naopak vysoce účinná, ale elektrolyzéry pro tento účel obsahují vzácné kovy a je tedy drahá.
• parní elektrolýza využívající elektrolyzéry s pevnými oxidy (SOEC) dosahuje vysoké účinnosti, ale pracovní teplota se pohybuje mezi 500–800 °C. Je tedy vhodné ji používat tam, kde je k dispozici kromě elektřiny i zdroj tepla.

Účinnost průmyslové elektrolýzy se dnes pohybuje kolem 70 %, pokročilé metody se dostanou na 80–90 %. To jsou slušná čísla, ale nezapomeňme, že výsledkem elektrolýzy není energie, nýbrž vodík. Celková účinnost přeměny energie pak záleží na tom, jak se se získaným vodíkem naloží, viz níže.

… a není to s ním jednoduché

Vodík může sloužit jako palivo sám o sobě. Je to dokonce velmi žádoucí, výroba samotného vodíku je o polovinu levnější, než výroba syntetických paliv [1]. Zpracováním na složitější uhlovodíky a jejich spalováním se zároveň ztratí velká část energie.

Když je to tak výhodné, co brání využívání vodíku? Proč se vodík nevyužívá ve velkém?

1. Bezpečné a účinné využívání vodíku vyžaduje vlastní spotřebiče. Vodík nejde využívat ve stávajících spotřebičích na jiná paliva, nebo by takové využití nebylo optimální. Na účinné energetické využívání čistého vodíku jsou potřeba speciální zařízení, zejména palivové články.
2. Vodík je silně hořlavý a v kombinaci s (vzdušným) kyslíkem i při nízkých koncentracích tvoří výbušnou směs. Je proto nutné s ním zacházet co nejopatrněji a pokud možno ho pečlivě oddělit od okolního prostředí. Tím se dostáváme k třetímu bodu.
3. Vodík vyžaduje vlastní skladovací, dopravní a čerpací infrastrukturu, která je zatím dostupná jen velmi omezeně nebo vůbec. Vodík tvoří nejmenší molekulu ze všech prvků a pro své skladování a transport potřebuje speciální zařízení s vysokými nároky na těsnost.

Vodík má velmi nízkou hustotu na objem. Aby se dal uskladnit, transportovat a energeticky využívat, musí se koncentrovat. Skladování vodíku probíhá třemi způsoby:

1. stlačení na 350–700 bar do tlakových lahví,
2. zkapalnění a udržování při teplotě −253 °C,
3. uskladnění v metalhydridové nádrži, kde je vodík absorbován do kovových struktur.

Skladování vodíku klade vyšší nároky na skladovací nádoby. Tím pádem jsou jednak dražší, než u jiných paliv a jednak všechny zmíněné způsoby uskladnění – stlačování, zkapalňování, absorpce do kovů – stojí další energii.

Doprava vodíku probíhá podobně:

1. cisternou ve stlačené podobě
2. izolovanou kryo-cisternou v hluboce podchlazené formě
3. potrubím – vyplatí se až při velkých objemech vodíku
4. v omezené koncentraci lze vodík přimíchávat k zemnímu plynu a dopravovat standardními plynovody.

Shrnuto, využívání vodíku vyžaduje speciální spotřebiče (drahé), vlastní infrastrukturu (vzácnou), speciální skladovací nádoby (většinou dražší) a opatrné zacházení. Ačkoli jsou všechny potřebné technologie dostupné, zatím to není v takové míře, aby bylo možné uplatnit úspory z rozsahu („economy of scale“).

Paliva jako e-metan nebo e-nafta jsou v porovnání s vodíkem mnohem bezpečnější, dají se bez omezení využívat v současných spotřebičích a stačí k tomu stávající přepravní a skladovací infrastruktura. Na rozdíl od vodíkového hospodářství nebo třeba od elektromobility je tak možné syntetická paliva využívat bez dalších nákladů nad rámec jejich výroby. Infrastrukturu i spotřebiče už máme, jsou za ta léta perfektně zvládnuté a levné. To je obrovská výhoda. Abychom získali složitější e-paliva, musíme k vodíku přidat uhlík.

III. Uhlík vezmeme z biomasy…

Uhlík je samozřejmá součást syntetických paliv, ale na rozdíl od vodíku je jeho původ málokdy zmiňován. Přitom sehnat uhlík procesem, který by nevytvářel dodatečné emise uhlíku, tzn. bez fosilních paliv, vůbec není jednoduché.

Z hlediska emisí je ideální brát uhlík přímo z atmosféry, tedy ze vzduchu. Oxid uhličitý je hlavním skleníkovým plynem. Při výrobě syntetických paliv se z atmosféry bere a při jejich spálení se vrací zpět. Probíhá-li všechno s pomocí čisté elektřiny a tepla, jsou syntetická paliva skutečně uhlíkově neutrální. Technologie pro získávání oxidu uhličitého ze vzduchu se nazývá Direct air capture (DAC) a byť už existuje několik komerčních projektů, stále je tato technologie na počátku a má několik much, které je potřeba vychytat. Tou hlavní je vysoká spotřeba energie.

I když koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře stále roste, v porovnání s jinými látkami je ho pořád ve vzduchu méně než jedno procento. Abychom ze vzduchu získali koncentrované tuny uhlíku potřebné pro velkovýrobu syntetických paliv, potřebujeme do zařízení DAC pomocí ventilátorů nasát statisíce metrů krychlových vzduchu. A to stojí energii. Během nejčastěji používaného procesu je vzduch prohnán filtry, kde CO₂ reaguje s připravenými látkami (alkalické sorpční roztoky) na uhlíkaté sloučeniny, a z nich se následně musí odloučit za účasti tepla. A to stojí další energii.

Získání tuny CO₂ podle dostupných zdrojů vyžaduje zhruba 1500–2000 kWh [4] elektrické a tepelné energie dohromady, přičemž přesná hodnota a poměr vložené elektřiny a tepla závisí na konkrétním typu DAC. Vysokoteplotní DAC mají vyšší spotřebu elektřiny a minimální spotřebu tepla, nízkoteplotní DAC naopak. Oba typy mají své výhody a nevýhody.

Vysokoteplotní verze mohou pracovat nezávisle na zdroji tepla, na jejich provoz stačí elektřina a voda a v součtu potřebují méně energie, než nízkoteplotní verze. Je ovšem potřeba poměrně dost vody, v některých případech až 50 tun vody na zachycenou tunu CO₂ [4]. Nízkoteplotní varianty jsou sice většinou celkově energeticky náročnější, ale je do nich možné teplo dodat zvenčí a významně tak snížit spotřebu elektřiny, která je pak potřebná prakticky jen na pohon ventilátorů. Kromě toho nízkoteplotní typy DAC pracují se vzdušnou vlhkostí, tedy nejen, že vodu nepotřebují, ale vzduch vysušují a samy se stávají zdrojem vody, kterou lze dále použít.

Prostřednictvím DAC lze tedy získat uhlík i bez fosilních paliv a téměř všude na Zemi, ovšem za cenu 1–2 megawatthodin energie za tunu oxidu uhličitého. To je poměrně dost a bez ohledu na to, jestli jde o elektřinu nebo teplo, musí jít opět o bezemisně získanou energii, tedy z obnovitelného nebo jaderného zdroje. Po zdroji elektřiny z první kapitoly se tak vyžaduje, aby produkoval dostatek čisté a levné elektřiny pro výrobu vodíku, uhlíku, i pro jejich syntézu.

Podobným postupem jde získat CO₂ z koncentrovanějšího zdroje, než je vzduch – z komínů provozů spalujících fosilní paliva nebo biomasu. Spaliny z továren a dalších průmyslových procesů jsou obvykle po přečištění vypuštěny do atmosféry. Připojením zařízení na odlučování uhlíku ke stávajícím provozům získáme poměrně vydatný zdroj CO₂. Jsou-li spaliny z jiného zdroje, než z biomasy, znamená to rezignaci na uhlíkovou neutralitu a připuštění určitých emisí uhlíku (low carbon technology).

Zachytávání uhlíku zde funguje na podobném principu jako u DAC, tedy prostřednictvím absorpce CO₂ do dusičnatých roztoků a následné uvolnění CO₂ po zahřátí roztoku. Výhodou oproti DAC je, že ze spalin se získá mnohem více oxidu uhličitého a navíc lze pro jeho získávání využít teplo ze spalovacího procesu [2]. Nevýhodou jsou emise CO₂. Jednak se nepodaří ze spalin zachytit všechen uhlík a jednak bude-li takto získaný CO₂ využit na výrobu syntetických paliv, stejně se později dostane do atmosféry.

Část uhlíku, který by jinak unikl komínem do atmosféry, je ale takto možné recyklovat. A klidně i opakovaně, v budoucnu může daný provoz spalovat syntetická paliva a uhlík z nich bude znovu zachytáván. Uhlíku se tudíž nakonec dostane do atmosféry méně, než kdyby byl využit jen jednou.

• Zachytávání uhlíku (CCS) ze spalin na TZB-info

Na rozdíl od vodíku lze uhlík ve formě CO₂ velmi snadno skladovat a převážet. I tyto operace však přidávají další energetické a finanční náklady do celého řetězce. Stejně jako u vodíku tedy platí, že ač technicky víme, jak uhlík získávat bez fosilních paliv, ve větším měřítku je to energeticky náročné a drahé.

IV. Vytvoříme uhlovodíky

Dostali jsme se až sem. To znamená, že se staly tyto věci:

• máme dost čisté elektřiny, kterou nechceme nebo nemůžeme využít přímo,
• se ztrátami energie získáme vodík, který také nechceme nebo nemůžeme využít přímo,
• s dalšími ztrátami energie (a často i s emisemi skleníkových plynů) proto získáme uhlík.

Máme tedy vše potřebné a konečně můžeme začít vyrábět syntetické uhlovodíky. Výroba syntetických paliv probíhá nejčastěji na základě dvou procesů, které byly objeveny na přelomu 19. a 20. století:

• Sabatierova reakce se používá pro výrobu syntetického metanu, tedy ekvivalentu zemního plynu. Vodík při ní reaguje s oxidem uhličitým za vzniku metanu, vody a tepla. Reakce probíhá při teplotách 300–400 °C a při zvýšeném tlaku za účasti niklového, hliníkového nebo rutheniového katalyzátoru.
• Fischer-Tropschova syntéza a další procesy od ní odvozené jsou častým způsobem výroby tekutých paliv. Polotovarem je svítiplyn (syngas), směs oxidu uhelnatého CO s vodíkem H₂, z něhož jsou pak za přítomnosti katalyzátorů, pod vysokým tlakem a při vysokých teplotách vytvářeny různé kapalné uhlovodíky.

Oba procesy probíhají při vysoké teplotě, vyžadují hodně energie a produkují velké množství odpadního tepla. Ke snížení energetických ztrát v procesu je proto vhodné vzniklé teplo dále využívat.

Jedná se o 100 let známé postupy používané pro výrobu a úpravy paliv v různých podmínkách, například pro zkapalňování uhlí za druhé světové války nebo pro výrobu různých uhlovodíků ze zemního plynu. Těmito způsoby můžeme podle potřeby vytvořit širokou paletu plynných a tekutých uhlovodíků jak pro energetické účely, tak pro výrobu plastů, kosmetiky, hnojiv a dalších. Můžeme tak dekarbonizovat i sektory, které jsou na ropě závislé nejen energeticky, ale i materiálově. Pilotní provozy už v Evropě fungují, dokonce i za podpory českého kapitálu.

Výrobu máme za sebou, elektřinu jsme zdárně uskladnili a můžeme začít spotřebovávat.

V. Energetická účinnost

Na počátku celého procesu je čistá elektřina, kterou je energeticky, ekologicky i finančně nejvýhodnější využít přímo a pokud možno lokálně. Energetická účinnost syntetických paliv je dána jednak součtem energetických ztrát během jednotlivých kroků při výrobě a jednak účinností dopravy, čerpání a spotřeby syntetických paliv.

Velmi záleží na tom, jak elektřinu uložíme – vodík nebo syntetická paliva? Stlačení nebo zkapalnění? Spotřeba na místě nebo transport? A stejně tak záleží i na tom, jak (syntetická paliva) dále využijeme – palivový článek, spalovací motor, plynová turbína nebo kondenzační kotel? Jaké účinnosti můžeme dosáhnout při použití e-paliv v dopravě, pro vytápění a pro výrobu elektřiny?

Doprava

Pozn.: Jednotlivé účinnosti jsou uvedeny v závorkách, jejich vynásobením dostaneme celkovou účinnost v boxech. V grafice je uvedena obnovitelná elektřina, německý zdroj nepočítá s jadernou elektřinou. Není zřejmé, zda autoři počítají s energií potřebnou na získání uhlíku pro výrobu syntetických paliv.

Grafika 1 ukazuje energetické ztráty s každou přeměnou energie. Z čisté elektřiny se „na kola“ dostane u čistého elektromobilu 69 % energie, u elektromobilu s palivovým článkem 26 % a u auta se spalovacím motorem 13 %. Na ujetí stejné vzdálenosti vozidlo s vodíkovým palivovým článkem potřebuje více než dvojnásobek elektřiny, než klasický elektromobil. Vozidlo se spalovacím motorem využívajícím syntetická paliva potřebuje na ujetí stejné vzdálenosti dokonce pětinásobně více elektřiny, než elektromobil s bateriemi. Nejvyšší účinnosti by naopak dosáhla trolejová vozidla, kde z řetězce odpadá i baterie. Ty ale grafika nezahrnuje.

Účinnější metoda elektrolýzy by bilanci pohonů s vodíkem a syntetickými palivy o něco zlepšila, ale ne do té míry, aby tyto pohony předběhly čistě elektrická vozidla. Účinnější elektromotor by naopak mohl připsat další body k dobru elektrickým pohonům, ať už na baterie nebo s palivovým článkem. Motory elektromobilů dosahují účinnosti přes 90 %.

Vytápění

Pozn.: Jednotlivé účinnosti jsou uvedeny v závorkách, jejich vynásobením dostaneme celkovou účinnost v boxech. V grafice je uvedena obnovitelná elektřina, německý zdroj nepočítá s jadernou elektřinou. U tepelného čerpadla se počítá s topným faktorem COP 3. U palivového článku se počítá s účinností dopravy a stlačení 80 %. Účinnost palivového článku je počítána 85 % v kogeneračním režimu (45 % teplo, 40 % elektřina). Není zřejmé, zda autoři počítají s energií potřebnou na získání uhlíku pro výrobu syntetických paliv.

Ve vytápění z hlediska účinnosti vítězí tepelná čerpadla, která si na rozdíl od ostatních technologií mohou vypomoci energií prostředí. U způsobů vytápění využívajících e-paliva je zajímavé porovnání účinností hi-tech vytápění v podobě palivového článku na vodík a standardního kondenzačního kotle na plyn. Vychází ve prospěch kondenzačního kotle navzdory dalšímu mezistupni v řetězci, syntetickému plynu. Je to dáno velmi vysokou účinností kondenzačního kotle a zároveň nízkými ztrátami při dopravě plynu.

Vzhledem k celému procesu není 50procentní účinnost u varianty s kondenzačním kotlem vůbec špatné číslo. Na druhou stranu to znamená, že vytápění syntetickými palivy ve své nejúčinnější variantě vyžaduje dvakrát více elektřiny, než kdybychom topili samotnou elektřinou v přímotopech nebo topnými kabely (účinnost 95 %) a téměř šestkrát více elektřiny, než vytápění prostřednictvím tepelných čerpadel! „Akumulace elektřiny na zimu“ znamená pro vytápění poloviční ztráty, tedy dvojnásobnou spotřebu čisté elektřiny. Co když chceme z „úložiště“ zpátky elektřinu?

Elektřina

Elektřinu můžeme vyrábět buď z vodíku prostřednictvím palivových článků, anebo ze syntetických paliv konvenčními způsoby využívajícími parní cyklus. Proces přeměny elektřiny na e-paliva a zpět je velmi podobný, jako u získávání tepla. Dosadíme-li do řetězce elektřina – elektrolýza – vodík palivový článek pro výrobu elektřiny nebo u syntetického metanu vysoce účinný paroplynový cyklus, obojí s účinností 60 %, vyjde nám celková účinnost syntetických paliv při výrobě elektřiny 32 %. Orientačně spočítaná hodnota odpovídá ostatním dostupným zdrojům [8], [10], které udávají rozpětí účinnosti syntetických paliv pro výrobu elektřiny 16–44 % v závislosti na kombinaci způsobu výroby paliva, uskladnění a opětovné výroby elektřiny. Pokud jsme použili vodík nebo při výrobě metanu vzali uhlík ze vzduchu nebo z biomasy, máme znovu čistou elektřinu.

To mj. znamená, že jsme tutéž elektřinu vyrobili dvakrát. Abychom ji mohli využít, je třeba ji i znovu transportovat a podruhé započíst ztráty přenosu elektřiny (5 %), čímž se dostaneme na účinnost 30 %, tzn. při akumulaci jsme ztratili 70 % čisté elektřiny. Pro srovnání, účinnost přečerpávacích elektráren (kde elektřinu také „vyrábíme dvakrát“) se pohybuje mezi 70 a 80 %. Uchopená z různých stran akumulace elektřiny pomocí syntetických paliv znamená:

1. více než trojnásobná spotřeba elektřiny oproti přímému využití,
2. na jednu kWh elektřiny ze syntetických paliv potřebujeme uložit tři kilowatthodiny čisté elektřiny,
3. ze tří kilowatthodin elektřiny uložených do syntetických paliv získáme zpět jednu.

Aby toho nebylo málo, často není ve výpočtu účinnosti zmiňován zdroj uhlíku a s ním související spotřeba energie. Počítá se pouze energie na výrobu vodíku a následnou syntézu.

Samozřejmě se technologie na všech stupních výroby a spotřeby budou do budoucna zlepšovat. Výzkum v této oblasti se rychle rozvíjí a každé zvýšení účinnosti jednotlivých procesů se pozitivně projeví na celkové energetické bilanci. Energetických přeměn je však v procesu tolik (výroba elektřiny, elektrolýza, získávání uhlíku, doprava surovin, výroba syntetických paliv, spotřeba…), že pokrok bude spíše pozvolný.

VI. Vyplatí se to?

Při pohledu na jednotlivé kroky výroby e-paliv vidíme několik společných znaků:

• jedná se o desetiletí nebo dokonce staletí známé postupy. Vyrobit elektřinu z větru a uskladnit ji ve vodíku lidé uměli už v 19. století. Získat uhlík z různých zdrojů a sloučit ho s vodíkem zrovna tak, viz kapitola IV.
• každý krok ve výrobě e-paliv znamená další finanční náklady,
• každý další krok od bodu I. znamená ztrátu energie,
• všechny kroky lze snadno a levně nahradit fosilními palivy.

Když jsme si dosud dovolili ten luxus a zanedbávali dopady fosilních paliv na životní prostředí, je celkem zřejmé, proč se syntetická paliva dosud v širším měřítku neuplatnila. Ale i pokud dopady na životní prostředí zohledníme, přínos syntetických paliv bude menší, než bychom čekali.

Vysoké energetické ztráty a z toho plynoucí dvoj až trojnásobná spotřeba energie a priori znamená vyšší zátěž pro životní prostředí. Připomeňme graf z úvodu článku – chceme-li dekarbonizovat, rozhodně nechceme zvyšovat spotřebu energie. Syntetická paliva jsou bezpochyby relevantní způsob skladování elektřiny, ale vzhledem k energetické náročnosti a složitosti výroby se ještě dlouho – a možná nikdy nebude jednat o způsob dominantní. Je-li cílem šetrnost k životnímu prostředí, nestojí na prvním místě syntetická paliva ani vodík, ale snižování spotřeby energie a chytré sítě (smart grids) s krátkodobou akumulací, které umožňují optimální spolupráci nabídky a poptávky tak, aby se elektřinou neplýtvalo.

Než se energetická účinnost syntetických paliv zvýší do té míry, aby akumulace elektřiny jejich prostřednictvím přiblížila dejme tomu přečerpávacím elektrárnám, dává smysl využívat syntetický (uhlo)vodík jen tam, kde je přímé využití obnovitelné elektřiny obtížné nebo rovnou nemožné. Sem patří výroba plastů a dalších materiálů nebo letecká doprava. Tedy sektory, které by se bez e-paliv paliv dekarbonizovaly velmi složitě.

• Matthias Vetter: vodík si schovejme pro letadla, v osobních autech nebude potřeba

Je ale třeba počítat s tím, že služby a materiály postavené na syntetických palivech budou dlouhou dobu dražší, než jejich „fosilní“ verze a mohou se stát pro mnoho lidí nedostupné. Vyšší náklady by měly reflektovat kladné dopady na prostředí, ve kterém žijeme a omezit plýtvání cennou energií a materiály.

Co by se muselo stát, aby se výroba syntetických paliv více rozvinula?

Výroba syntetických paliv je teprve v začátcích a pomalu se dostává do komerční fáze. S dalším rozvojem technologie bude v každé fází výroby docházet ke zlepšování parametrů a snižování nákladů. Co by pomohlo, aby se mohla využívat větším měřítku?

Více čisté elektřiny - přebytky a s nimi i finanční dostupnost základní vstupní suroviny by pravděpodobně měly zásadní dopad na rozvoj dlouhodobé akumulace i za cenu nižší účinnosti. Na druhou stranu situace "čisté elektřiny bude tolik, že si s ní budeme moci dovolit plýtvat" bude s postupující dekarbonizací sektorů vytápění a dopravy ještě dlouho spíše vzácností.

Připuštění určitých emisí uhlíku - dodržet podmínku striktní uhlíkové neutrality během celého procesu je velmi náročné. Připuštění určitých emisí uhlíku by minimálně zpočátku výrobu usnadnilo a zlevnilo. Největší smysl dává odpuštění emisí u uhlíku ze spalin z průmyslových provozů. Ocelárny, cementárny a další průmyslové provozy ještě dlouho pojedou na fosilní paliva a zároveň mohou být vydatným zdrojem sice fosilního, ale jinak odpadního uhlíku. Další možností je pro část výroby, třeba jen pro provoz rafinerie nebo získávání uhlíku, připustit využití přebytků elektřiny nebo tepla i z fosilních zdrojů.

Zdražení fosilních paliv - pokud fosilní paliva významně zdraží, stanou se fyzicky nedostupnými, nebo jejich užívání bude výrazněji penalizováno, zvýší se poptávka po alternativách a s nimi přibydou i zdroje financí pro rozvoj těchto alternativ. Zároveň to ale může vést k omezení dostupnosti materiálů, zboží a služeb, které jsou dnes široce dostupné právě díky levným fosilním palivům.

Přírodní nebo politická krize, která lidstvo explicitně upozorní, že fosilní ekonomika je ve stávajícím rozsahu neudržitelná – příkladem může být sucho, které nepříznivý stav klimatu připomíná stále častěji, nebo omezení dodávek fosilních paliv z politických nebo hospodářských důvodů, viz předchozí bod.

Zvýšení účinnosti - téměř v každé fázi výroby syntetických paliv se pracuje na zvýšení účinnosti. U vodíku jsou to účinnější technologie elektrolýzy i palivových článků, u uhlíku efektivnější metody zachytávání a ukládání, u rafinerií třeba využití odpadního tepla. Každé procento se počítá.

Snížení nákladů - zlevnit by měly nejen výrobní technologie, ale v případě vodíku, nejlevnějšího e-paliva, i infrastruktura a spotřebiče. Při nižších nákladech by se technologie mohla vyplatit i při se zdroji elektřiny, které neběží tolik hodin v roce, například s fotovoltaikou.

Pomalý rozvoj alternativních akumulátorů – konkurencí pro syntetická paliva nejsou jen fosilní zdroje, ale i jiné technologie akumulace. Pokrok však probíhá i v této oblasti a vyvíjí se vysokokapacitní akumulátory schopné uchovat elektřinu s vyšší účinností a po delší dobu, například průtočné baterie. Nebude-li pokrok v této oblasti postupovat dostatečně rychle, mohou syntetická paliva získat náskok.

Zdroje

1. AGORA VERKEHRSWENDE, AGORA ENERGIEWENDE a FRONTIER ECONOMICS. The Future Cost of Electricity-Based Synthetic Fuels. Agora Energiewende [online]. 2018 [cit. 2020-04-23]. Dostupné z:
   https://www.agora-energiewende.de/en/publications/the-future-cost-of-electricity-based-synthetic-fuels-1/
2. Carbon Dioxide Separation from Flue Gases: A Technological Review Emphasizing Reduction in Greenhouse Gas Emissions. Hindawi [online]. [cit. 2020-05-20]. Dostupné z: https://www.hindawi.com/journals/tswj/2014/828131/
3. Carbon-neutral fuel. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2020-05-06]. Dostupné z: https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon-neutral_fuel
4. FASIHI, Mahdi, Olga EFIMOVA a Christian BREYER. Techno-economic assessment of CO₂ direct air capture plants. ScienceDirect [online]. 2019 [cit. 2020-05-17]. Dostupné z:
   https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652619307772
5. Fischer–Tropsch process. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2020-05-06]. Dostupné z: https://en.wikipedia.org/wiki/Fischer%E2%80%93Tropsch_process
6. Hydrogen safety. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2020-05-02]. Dostupné z: https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_safety
7. Hydrogen transport & distribution. Hydrogen Europe [online]. [cit. 2020-05-09]. Dostupné z:
   https://hydrogeneurope.eu/hydrogen-transport-distribution
8. LAMBERT, Martin. Power-to-Gas: Linking Electricity and Gas in a Decarbonising World? The Oxford Institute for Energy Studies [online]. 2018 [cit. 2020-05-09]. Dostupné z:
   https://www.oxfordenergy.org/publications/power-gas-linking-electricity-gas-decarbonising-world/
9. Methanol economy. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2020-05-02]. Dostupné z: https://en.wikipedia.org/wiki/Methanol_economy
10. Power-to-gas. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2020-05-15]. Dostupné z: https://en.wikipedia.org/wiki/Power-to-gas
11. Sabatier reaction. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2020-05-06]. Dostupné z: https://en.wikipedia.org/wiki/Sabatier_reaction
12. Výroba vodíku. Hytep, česká vodíková platforma [online]. [cit. 2020-05-10]. Dostupné z:
    https://www.hytep.cz/cs/vodik/informace-o-vodiku/vyroba-vodiku/664-vyroba-vodiku

Aktualizováno 27. 5. 2020, 15:26 - doplněny podmínky snadnějšího rozvoje syntetických paliv v závěru článku.