Jak snížit nebo stabilizovat obsah oxidu uhličitého v atmosféře
K pořadu České televize Turbulence z 6. října 2013
Podle nové zprávy Mezivládního panelu o změně klimatu (IPCC) se pravděpodobnost, že aktivity lidstva jsou největším příspěvkem ke změně klimatu, zvýšila na 95 %. V pořadu ČT24 Turbulence komentovali možnosti eliminace s CO2 mimo jiné Bronislav Bechník a Vladimír Stupavský.
Mezivládní panel o změně klimatu (IPCC – Intergovernmental Panel on Climate Change) vydal novou zprávu, podle níž se pravděpodobnost, že aktivity lidstva jsou největším příspěvkem ke změně klimatu, zvýšila na 95 %. V pořadu České televize Turbulence ze dne 6. října 2013 komentovali možnosti eliminace oxidu uhličitého z atmosféry mimo jiné garant oboru Obnovitelná energie a úspory na odborném portálu TZB-info Ing. Bronislav Bechník, Ph.D. a spolupracovník našeho portálu v oblasti bioenergetiky Ing. Vladimír Stupavský.
To, co v reportáži následovalo za úvodním sdělením, je ukázkou, jak může demokracie zvítězit nad vědou. Z ankety mezi diváky pořadu Turbulence, kteří odpovídali na otázku „Souhlasíte se zprávou IPCC, podle které na 95 % odpovídají za současnou změnu klimatu lidé a jejich činnosti?“ vyplynulo, že 48 % jich se zjištěním IPCC souhlasí, 29 % nesouhlasí, 3 % si myslí, že je to více a 14 % myslí, že je to méně a 6 % netuší. Z uvedeného je zřejmé, že zhruba 2/3 souhlasí, z toho asi 1/6 s určitými výhradami, a méně než třetina nesouhlasí. Podle moderátorky však mínění diváků „není ani trochu jednotné“. Nejde však o to, jak jsou interpretovány výsledky ankety, ale už o myšlenku, že by o platnosti vědeckých závěrů mohlo rozhodovat demokratické hlasování. Natož hlasování lidí, kteří pravděpodobně neprostudovali ani třicetistránkové shrnutí prvního dílu zprávy, který má celkem dva tisíce stran.
Jiná otázka je, zda politici vezmou zprávu IPCC v úvahu, podobné ankety jim mohou pomoci se tomu vyhnout.
Další otázka, která s úvodním sdělením nesouvisí, a která není v tomto prvním dílu zprávy řešena, je, zda je výhodnější snižovat emise CO2 do atmosféry, nebo se pasivně změně klimatu přizpůsobit. Tato témata budou řešena v dalších částech Páté hodnotící zprávy IPCC, jejichž zveřejnění bude následovat.
Emise CO2 při výrobě elektřiny
Oxid uhličitý (CO2) se uvolňuje zejména při spalování fosilních paliv (uhlí, ropa, zemní plyn), ale taky při výrobě některých materiálů, zejména páleného vápna nebo cementu. Při spalování biomasy se sice rovněž uvolňuje CO2, ovšem pouze v množství, které bylo při růstu této biomasy odebráno z atmosféry.
Při výrobě elektřiny v uhelných elektrárnách se produkce CO2 pohybuje od 1 t/MWh výše [HD, Mahdal]. V jednotlivých případech však může dosahovat až 2,5 t/MWh.
Větrné, vodní a fotovoltaické elektrárny za provozu neprodukují žádné emise CO2. Emise jsou však spojeny s výrobou komponent a jejich instalací, případně s výrobou náhradních dílů nebo třeba maziv. Při rozpočítání na celou dobu životnosti elektrárny se u těchto zdrojů emise CO2 pohybují v desítkách kilogramů na megawatthodinu.
Mezi laickou veřejností již zakořenilo mylné tvrzení, které šíří někteří energetici, a sice že obnovitelné zdroje, zejména fotovoltaika a vítr, údajně potřebují záložní zdroje, které musí být v provozu, a tedy například pálit uhlí a produkovat emise CO2 i v době, kdy uvedené OZE elektřinu vyrábějí. Opak je pravdou. Díky fotovoltaice nastávají v České republice situace, kdy se prokazatelně snižuje kolísání výkonu uhelných elektráren. Znamená to, že některé z těchto zdrojů mohou být odstaveny i na celý týden a ty ostatní mohou být provozovány blíže svého optima.
Další mylné tvrzení, že zálohy pro OZE musí být v provozu trvale, aby byly schopny reagovat na změny výkonu v řádu minut, vyplývá buď z neznalosti, nebo je šířeno záměrně. Již v roce 2010 si ČEPS na toto téma nechal zpracovat odbornou studii [Suri], která byla prezentována na 5. České fotovoltaické konferenci v Brně 13. listopadu 2010 a následně i na konferenci evropské. Studie ukázala, že kolísání výkonu je poměrně malé, jen zcela výjimečně přesáhne 5 % instalovaného výkonu během 15 minut. V České republice se jedná zhruba o 100 MW, což je několikanásobně méně, než rozsah primární a sekundární regulace elektrizační soustavy.
Stejně tak předpovědi výroby elektřiny z OZE jsou dostatečně přesné na to, aby na ně dispečeři ČEPS mohli včas reagovat. Jen zcela výjimečně byli v posledních třech letech dispečeři nuceni ve větším rozsahu, než je běžně nasmlouváno, využít podpůrné služby (nikoli však rychlé), aby vyrovnali odchylku mezi plánovanou a skutečnou výrobou OZE.
Všechny informace o kolísání výkonu OZE a využívání podpůrných služeb elektrizační soustavy jsou dostupné na webu ČEPS [ČEPS].
CO2 jako surovina
Oxid uhličitý může sloužit jako surovina pro celou řadu chemických procesů [Bušta].
Společným problémem veškerého využití CO2 je potřeba energie. Z CO2 samozřejmě lze vyrobit i palivo, například metan (CH4), případně i složitější uhlovodíky, neboli ekvivalent ropy, ale spotřebuje se na to více energie, než lze následně z výsledného produktu získat. Je to celkem logické, každá přeměna probíhá jen s určitou účinností. Konkrétně v případě výroby metanu z CO2 a vodíku může účinnost dosáhnout 60 % (v praxi však bylo dosaženo jen 40 % [Methane]), k tomu je nutno připočíst účinnost konverze zpět na elektřinu, takže celková účinnost tohoto způsobu „akumulace“ elektřiny může v nejlepším případě dosáhnout 40 %.
Je to sice relativně málo ve srovnání s akumulátory [Akumulatory] nebo přečerpávacími elektrárnami, akumulační kapacita jednoho podzemního zásobníku zemního plynu v ČR je však řádově větší, než kapacita všech akumulátorů a přečerpávacích elektráren dohromady.
Výroba metanu z oxidu uhličitého navíc může být výhodná například pro využití přebytků elektřiny z obnovitelných zdrojů, jejichž výroba je závislá na počasí, jmenovitě tedy fotovoltaických a větrných elektráren, viz např. [AudiMethane] nebo [GlobalMethane]. V tomto případě je totiž účinnost podružný parametr. Podstatné jsou investiční náklady zařízení a ostatní provozní náklady. Nadbytečnou elektřinu (někdy z OZE, ale častěji z jádra) lze totiž v současnosti pořídit někdy i za zápornou cenu.
Umělé stromy
Ve fázi experimentálního výzkumu je celá řada konceptů, které na první pohled vypadají úžasně. Do praxe se jich však dostane jen malá část. Některé narazí na technické bariéry, jiné na finanční.
Hypoteticky by se možná mohlo podařit napodobit fotosyntézu. Experimentální výzkum v této oblasti probíhá, zda se však někdy uplatní v praxi, je otevřená otázka. Celkově vůbec není jisté, zda by umělá fotosyntéza byla efektivnější, než přírodní procesy (mimochodem, podobnou myšlenku nadnesl Vladimír Páral ve svém sci-fi románu Romeo a Julie 2300).
Výnosy zemědělských plodin odpovídají účinnosti využití dopadajícího slunečního záření kolem jednoho, nejvýše dvou procent. Fotovoltaika sice dosahuje až 20 %, neváže však CO2. Na druhou stranu kombinace fotovoltaika + výše uvedená výroba syntetického metanu z CO2 může dosáhnout účinnosti až 10 %, takže by hypoteticky bylo možno absorbovat více CO2, než zelenými rostlinami, a to i na plochách, kde nelze rostliny pěstovat (střechy, fasády…). Z hlediska koncentrace CO2 v atmosféře je však přínos takové technologie nulový – vyrobený metan by s největší pravděpodobností byl spálen.
V reportáži ČT jsou zmíněny umělé stromy. Není však zřejmé, jaký je výsledný produkt zachytávání CO2. Je však téměř jisté, že kdyby technické zařízení bylo instalováno na střechách budov, bylo by to možná méně efektní, ale o to více efektivní.
Fasády zachytávající CO2
V tomto případě se pravděpodobně jedná o omyl založený na skutečnosti, že některé fasádní materiály jsou skutečně schopny „čistit vzduch“. Jedná se však o využití fotokatalytického účinku oxidu titanu, který je využíván k eliminaci oxidů dusíku jejich převedením na kyselinu dusičnou. K uvedené reakci je potřeba světlo a voda.
Ponechme nyní stranou, že při výrobě vápna se uvolňuje CO2 a podívejme se, kolik materiálu bychom potřebovali na zachycení CO2 vyprodukovaného v České republice.
Emise CO2 v ČR se pohybují kolem 12 tun na osobu. Kdybychom například chtěli toto množství zachytit vápnem, což je možné, potřebovali bychom jej asi 15 tun na osobu (CaO = 40 + 16 = 56, CO2 = 12 + 32 = 44, 12 ‧ 56/44 = 15,27), respektive vápenného hydrátu asi 20 tun (Ca(OH)2 = 40 + 32 + 2 = 74, CO2 = 12 + 32 = 44, 12 ‧ 74/44 = 20,18). Jiných sloučenin, například polyetyleniminu (viz níže), bychom potřebovali ještě více.
Pro zachycení CO2 vyprodukovaného v České republice bychom tedy potřebovali asi 150 milionů tun vápna ročně. Celková roční výroba je přitom necelý 1 milion tun ročně [Vápno]. Pokud by měl být CO2 zachytáván nějakým stavebním materiálem, potřebovali bychom množství, která vůbec nejsme schopni vyrobit. Nehledě na skutečnost, že konečným produktem zachycení CO2 vápnem je vápenec, ze kterého bylo vápno vyrobeno „odstraněním“ CO2.
V případě jiných materiálů, například polyetyleniminu, by situace mohla být zdánlivě lepší. Jedná se o uhlovodík, takže pokud by pro jeho výrobu byl jako surovina použit CO2, bylo by množství zachyceného uhlíku podstatně vyšší, než v případě vápna. Pravděpodobně by však pro výrobu polyetyleniminu z CO2 bylo potřeba podstatně více energie, než pro jeho výrobu z ropy. Pokud by však byl vyráběn z ropy, množství zachyceného uhlíku by bylo malé. Otázka je, zda by polyetylenimin vyráběný z CO2 byl opravdu levný. I kdyby byl, jsou potřebná množství zcela mimo realitu. Pro ilustraci – nejlepší materiál na bázi PEI dosáhl absorpční kapacity 235 mg CO2/g (5.34 mmol CO2/g) [PEI2]. Takového materiálu bychom potřebovali asi 50 tun na osobu, neboli asi 500 milionů tun ročně pro celou Českou republiku. Přitom roční dovoz ropy a ropných produktů je menší, než milion tun.
Jinými slovy, na prosté zachytávání CO2 by pro tyto metody byl naprostý nedostatek potřebných materiálů. Kromě toho by takové řešení bylo příliš nákladné. Materiál použitý k zachycení CO2 je proto nutno nějakým způsobem mnohokrát za rok zrecyklovat – vytěsnit z něj zachycený CO2 – což opět vyžaduje energii. Zachycený CO2 je následně možno využít jako surovinu, nebo jej bezpečně dlouhodobě uložit.
Co se zachyceným CO2?
Stále bychom však byli v situaci, že CO2 ze vzduchu „vychytáme“, ale při použití energetického nosiče (metan), zase stejné množství CO2 uvolníme. Cyklus je sice uzavřený, do atmosféry bychom další CO2 nepřidávali, ale na druhou stranu ani bychom žádný neodebírali. Pokud bychom zároveň nadále používali fosilní paliva, koncentrace CO2 v atmosféře by dále rostla.
Ukládání CO2 v geologických formacích (CCS) je problematické hned ze dvou důvodů. Jednak jsou odhadované kapacity pro skladování CO2 v geologických formacích relativně malé, vystačily by jen na 50 let současné produkce CO2. A jednak nelze u všech geologických formací zajistit, aby CO2 v podzemí zůstal. Mohl by postupně uniknout do atmosféry. Ve výsledku bychom za velkých nákladů problém pouze „odložili“. O to by ovšem potom byl větší.
Jak CO2 „uložit“ trvale
Jinou možností, jak vázat CO2 z atmosféry trvaleji, je neúplné spalování biomasy. Přesněji energetické využití pouze prchavých složek. Tuhý zbytek – uhel (char) – by mohl být ukládán, nebo ještě lépe zapracován do půdy, kde by přispíval ke zvýšení úrodnosti (taková zuhelnatělá biomasa se označuje jako biouhel). Myšlenka je inspirována praxí jihoamerických Indiánů, kteří takto v minulosti zlepšovali jinak málo úrodnou půdu po vykácení pralesa (taková půda je známa jako terra preta). Nevýhodou je, že bychom využili pouze část energetického obsahu biomasy. Kromě toho roční množství uloženého uhlíku by muselo odpovídat ročnímu množství spotřebovaných fosilních paliv. Chybí zde tedy prostor pro udržení současné spotřeby energie – fosilního uhlíku uvolňuje svět ročně kolem 10 Gt, výrobou biouhlu je možno ukládat nejvýše 1 Gt ročně.
Orbou, nebo obecně tzv. moderní agrotechnikou, se postupně snižoval obsah humusu v půdě. Protože humus je organického původu, obsahuje vázaný uhlík. Pokud by se tedy podařilo zvýšit obsah humusu v půdě, znamenalo by to v podstatě ubrání CO2 ze vzduchu. Lesní půda například obsahuje několikanásobně více humusu, než orná půda ve stejné lokalitě.
Možnosti snížení emisí CO2
Jak je uvedeno v kapitole Emise CO2 při výrobě elektřiny, jsou u všech obnovitelných zdrojů ve srovnání s uhlím emise v podstatě nulové. Emise je tedy možno snížit nahrazením výroby elektřiny z uhlí obnovitelnými zdroji.
Fotovoltaický panel o výkonu 250 W vyrobí za dobu života asi 10 MWh elektřiny. Zjednodušeně proto lze říci, že jeden fotovoltaický panel, který dnes stojí kolem 6000 Kč a váží zhruba 20 kilogramů, ušetří za dobu svého života asi 10 tun CO2. To zhruba odpovídá ročnímu množství emisí, které připadají na jednu osobu v České republice (12 tun ročně).
K „eliminaci“ ročních emisí CO2 bychom tedy potřebovali každoročně přidat 2,5 GWp fotovoltaických panelů. To zhruba odpovídá veškerému dosud instalovanému výkonu v České republice. Celková hmotnost těchto panelů je asi 200 000 tun, neboli o tři řády nižší, než by bylo potřeba materiálů uvedených v kapitole Fasády zachytávající CO2.
Ještě lepší je situace u ostatních OZE. Větrných elektráren by stačilo přidávat zhruba 1 GW ročně a malých vodních elektráren možná pouhých 500 MW. Problém však je, že větrných elektráren lze v ČR umístit jen asi 2 GW a malých vodních elektráren nejvýš 1 GW. Fotovoltaických panelů by sice bylo možno na střechy a fasády budov umístit více, než je jich dnes na polích, ale tím bychom eliminovali jen jeden rok emisí navíc. Jiná otázka je, zda bychom uměli elektřinu z těchto zdrojů efektivně využít.
Obnovitelné zdroje jsou sice asi tisíckrát výhodnější, než zachytávání CO2 pomocí fasád, problém však při současné spotřebě energie vyřešit nemohou.
Existuje přitom celá řada efektivních možností, jak emise CO2 snížit trvale. Jednou z nich je zateplování stávajících staveb pokud možno na pasivní standard a výstavba nových budov jen v pasivním standardu. Další možností je energetická efektivnost – současný standard energetických služeb (světlo, tepelná pohoda…) lze zajistit se čtvrtinovou spotřebou energie. Možná ještě větší úspory lze dosáhnout eliminací zbytečné dopravy a obecně zbytečné spotřeby.
Shrnutí
Celkově lze říci, že CO2 zachytávat umíme určitě ze spalin a přinejmenším existuje vysoká naděje, že to zvládneme i ze vzduchu. Otázkou zůstává, co s ním potom. Stlačovat a ukládat pod zemí je jednak nejisté a jednak veškeré dostupné možnosti skladování by stačily maximálně na 50 let současné produkce. Kromě toho netušíme, co by taková množství CO2 uložená v podzemí způsobila [CCS].
K dispozici je přitom celá řada možností, jak emise CO2 snížit mnohem efektivněji, než zachytáváním CO2. Vedle využívání obnovitelných zdrojů se jedná zejména o energetickou efektivnost, případně změnu životního stylu.
Reference
- [HD] Fosilní faktor: analýza hlavních zdrojů znečištění oxidem uhličitým a emisní intenzita českých uhelných elektráren. Hnutí DUHA: Brno, 2005 Dostupné http://www.hnutiduha.cz/sites/default/files/publikace/typo3/fosilni_faktor.pdf
- [Mahdal] MAHDAL, Vlastimil. Ekologické problémy energetiky ČR. Bakalářská práce. VUT: Brno, 2011. Dostupné https://dspace.vutbr.cz/bitstream/handle/11012/7619/BP_Mahdal_Vlastimil.pdf?sequence=1
- [Suri] Šúri, Marcel; Cebecauer, Tomáš; Skoczek, Artur; Fantík, Josef. Analysis of PV power generation in the Czech transmission system ČEPS. In: 26th European Photovoltaics Solar Energy Conference, September 2011, Hamburg, Germany. Dostupné http://geomodelsolar.eu/_docs/papers/2011/Suri-Cebecauer-Skoczek-Fantik_EUPVSEC2011_CEPS.pdf
- [ČEPS] Všechna data. ČEPS: Praha, 2013. Dostupné: http://www.ceps.cz/CZE/Data/Vsechna-data/Stranky/Default.aspx
The article is a commentary on Czech TV report about the feasibility of reducing CO2 in the atmosphere. To eliminate carbon dioxide from the atmosphere has been proposed a number of methods, many of which are currently at the stage of mere concept. Namely, this includes the artificial trees mentioned in the report. Even if such methods work, there still remains the question of what to do with the captured CO2. Storage in geological formations is uncertain and material recovery faces high energy demands. In some cases there is a misunderstanding resulting from the confusion of CO2 and other emissions. Namely on the facade, which allegedly eliminate CO2 from the air, but in fact it eliminates nitrogen oxides. The only reliable way to reduce CO2 emissions permanently is to reduce energy consumption.