Zdroj:
Pixabay
Autor:
Bjonsson
Licence:
Pixabay License

Jak dekarbonizovat výrobu cementu, vápna a skla?

editace:
Jiří Lněnička
konzultace:
Oldřich Sklenář, Asociace pro mezinárodní otázky

Cement, vápno a sklo. Tři hlavní produkty emisně náročného sektoru – tzv. minerálního průmyslu. Jeho dekarbonizace nebude snadná, protože nestačí pouze nahradit fosilní paliva při spalování, velká část emisí vzniká také při chemických reakcích během výroby, zejména u cementu a vápna. Potřebné technologie, jakými je například zachytávání CO2 či zelený vodík, bude ale nutné dál rozvíjet a vybudovat pro ně veškerou nutnou infrastrukturu.

Jaké jsou technologie dekarbonizace průmyslu?

Detailnější pohled na technologie dekarbonizace průmyslu nabízí náš přehledový text.

Bez cementu, vápna a skla se společnost neobejde a světová poptávka po těchto produktech bude v následujících letech nejspíše růst. V krátkodobém horizontu sice lze v tomto odvětví dosáhnout částečného snížení emisí metodami, které jsou dostupné už dnes (například zvyšováním efektivity pomocí energetických úspor), ale k dosažení uhlíkové neutrality bude nutné vyřešit také již zmíněné emise z chemických reakcí prostřednictvím zachytávání CO2.

Následující text představuje různé scénáře dekarbonizace minerálního průmyslu a opírá se o studie průmyslových asociací či konzultačních firem. Nepopisuje jedinou možnou cestu, neboť přesné poměry použitých technologií budou záviset na budoucím vědeckém vývoji, ekonomické situaci i regionálních rozdílech. Spíše ukazuje, u kterých technologií je už dnes zjevné, že budou hrát při dekarbonizaci hlavní úlohu, a které naopak budou spíše vedlejší.

Cement

Výroba cementu tvoří 7–8 % globálních emisí CO2.1 Cement je klíčovou příměsí betonu, což je hned po vodě druhá nejvíce spotřebovávaná látka na světě.2 Na každého obyvatele planety připadá spotřeba zhruba půl tuny cementu ročně.3 Přibližně polovina veškerého cementu se používá na výstavbu budov, zbytek je potřeba na různé druhy infrastruktury, např. silnice, železnice či energetická zařízení jako třeba elektrárny.4

Při produkci cementu vzniká 60 % emisí CO2 při chemické reakci, která se nazývá kalcinace. Působením tepla se vápenec rozkládá na oxid vápenatý a oxid uhličitý. Zbylých 40 % emisí připadá na teplo potřebné při výrobě.2

Na tunu cementu vzniká průměrně 0,6 tun CO2.5 Emisní intenzita cementu závisí také na jeho druhu.

Vzhledem k postupující urbanizaci a s ní související výstavbě není výrazné snížení poptávky po cementu do budoucna pravděpodobné. Naopak – McKinsey předpokládá do roku 2050 navýšení výroby cementu o 6 % a Světové ekonomické fórum až o 45 %.6 Vzhledem k důležitosti cementu a jeho emisní náročnosti se tento sektor řadí mezi nejvíce emisně náročné průmysly a cementárny patří mezi největší emitenty i v České republice.

Dekarbonizace z perspektivy konkrétní cementárny v Česku

Povídání o výrobě a dekarbonizaci cementu v českých podmínkách nabízí epizoda podcastu 2050.

Zachytávání CO2

U dekarbonizace výroby cementu hraje zachytávání CO2 pomocí technologie CCS a jeho následné uložení či využití hlavní roli.7 Zařízení na CCS dovede zachytit 90–958 procent emisí dané cementárny a jedná se tak o hlavní technologii dekarbonizace cementu, bez které se uhlíkové neutralitě nelze přiblížit. Většina zachyceného CO2 by byla uložena v podzemních geologických formacích, ale část lze uložit i v samotném betonu, např. formou přimíchání nebo v rámci procesu vytvrzování. Takto přidaný oxid uhličitý mineralizuje do podoby stabilních uhličitanů a je díky tomu zadržen na dlouhou dobu. Podobné postupy však ovlivňují výsledné vlastnosti betonu, a zdaleka je tak není možné uplatnit vždy a všude.

V roce 2050 může technologie CCS či beton vytvrzený uhlíkem představovat přibližně polovinu snížení emisí ve srovnání s emisemi z cementu, který se vyrábí dnes.9 Z ekonomických důvodů CCS nebude tvořit jediné řešení a ke snížení emisí dojde i jinými způsoby. Míra využívání CCS bude závislá zejména na ceně oproti jiným dekarbonizačním technologiím a rozvoji infrastruktury.

Vedlejší metody

Přestože každá z dalších možností už je jednotlivě méně efektivní, v součtu mohou všechny redukovat emise významně.

  • Alternativní paliva s nižší uhlíkovou stopou – Zde se jedná zejména odpad a biomasu (zhruba 10% snížení emisí).10

  • Zvyšování energetické efektivity výroby – V minulosti již probíhala, ale stále existuje potenciál dalších úspor (až o 7 % méně skleníkových plynů).9

  • Nahrazování slínku – Jeho částečná substituce struskou, uhelným popílkem, dřevěným popelem či pucolánem11 může kromě snížení emisí CO2 o dalších 7 % přinést také finanční úspory.12

  • Recyklace betonu – V současné době není v recyklace betonu příliš běžná. Jejímu širšímu využití by napomohly změny některých principů při stavbě i navrhování staveb, které by zároveň vedly k nižší spotřebě zdrojů. Kromě toho lze recyklovat i hotový beton, zatím tomu ale často bránila nejistota v kvalitě a vlastnostech recyklovaného materiálu. I na využívání recyklovaného betonu nicméně v současnosti už vznikají studie.

Jakou roli hrají emise CO2 z výroby cementu v klimatické změně?

Dekarbonizaci cementu a jeho dnešní výrobu blíže popisuje samostatný text.

  • Nahrazení betonu – Lze méně stavět z betonu a místo toho používat například dřevo. Velké rozšíření podobných trendů by do budoucna ovšem mohlo narážet na problémy s environmentálně udržitelnými dodávkami materiálu, přesto je potenciál úspory emisí spojený s novými směry ve stavebnictví (např. dřevostavby) stále značný.13

  • Alternativní úsporná řešení – Hovoří se například o 3D tisku budov, které zatím nelze aplikovat ve velkém měřítku. Jako schůdnější cesta se jeví využití menších modulárních jednotek, které byly předvyrobeny v továrnách. Ty by do stavebnictví přinesly větší efektivitu, a tedy opět ušetřily emise i finance. Ke snížení emisí může přispět i probíhající digitalizace stavebnictví (BIM) – díky lepšímu přehledu o celé stavbě bude vznikat méně odpadu a pravděpodobně bude potřeba i méně betonu. Podle odhadů společnosti McKinsey mohou zmíněné alternativní metody v kombinaci s recyklací a nahrazením betonu celkově snížit emise z cementářství o dalších 7 % či více (v závislosti na jejich rozvoji).9

Výše popsaný scénář nicméně nepočítá s kompletní dekarbonizací do roku 2050 a očekává se, že emise se podaří snížit o téměř 75 %.14

Cementárna v USA

1 tuna cementu = cca 0,6 tuny CO2

Zdroj: Unsplash

Vápno

Výroba vápna tvoří přibližně 1 % světových emisí CO2.15 Vápno nachází uplatnění v řadě průmyslů, stavebnictví, zemědělství, papírnictví, potravinářství nebo při čištění pitné vody. Největší množství (co se týče jednotlivého účelu) se pak využívá v ocelářském průmyslu, kde slouží při zpracování surového železa na ocel. Na každého obyvatele planety připadá v průměru 50 kilogramů vyrobeného vápna ročně.16

Dvě třetiny emisí vznikají u výroby vápna procesem kalcinace stejně jako u cementu Tento proces přeměny v současnosti není možné přímo nahradit jiným, emisně méně náročným. Zbývající třetina emisí připadá na spalování.17

Při výrobě tuny vápna vzniká 0,75 tun emisí CO2.18

Podobně jako u cementu nelze ani u vápna do budoucna očekávat pokles spotřeby. Především pak kvůli zmíněné oceli, na jejíž výrobě se vápno podílí a jejíž využití má do budoucna stále růst. Situaci navíc komplikuje fakt, že vápno je při produkci oceli potřeba vždy: jak u konvenční, tak u alternativní výroby.

Zachytávání CO2

Stejně jako u cementu představuje i zde CCS nejvýznamnější způsob snížení emisí. Pilotní projekty ukazují potenciál zadržet až 95 % celkových emisí CO2 dané vápenky (tedy včetně emisí ze spalování).19

Vedlejší metody

  • Vodík – Lze využít jako palivo, které by znamenalo snížení emisí CO2 až o třetinu.20 Dosažení minimálního znečištění ze spalování je ale podmíněno fungováním pecí výhradně na vodík a také dostupností nízkoemisního vodíku. Technologicky jednodušší variantou je spalování směsi vodíku a zemního plynu, snížení emisí však v takovém případě bude nižší.
Vápenka v USA

1 tuna vápna = 0,75 tuny CO2.

Zdroj: Wikimedia

Sklo

Výroba skla tvoří přibližně 0,3 % světových emisí CO2.21 Se sklem se lze nejčastěji setkat ve formě obalů či oken a jedná se o materiál, který lidstvo vyrábí již tisíce let. Na každého obyvatele planety připadá v průměru 25 kilogramů vyrobeného skla ročně.22

U skla je hlavním zdrojem emisí spalování, které produkuje 75–85 % emisí CO2. Zbylých 15–25 % připadá na chemické reakce.23 Především jde o reakce spojené se sklářskými surovinami. Jde například o rozklad uhličitanu sodného, který se používání ke snížení potřebné teploty tavení skla.

Při výrobě skla vzniká přibližně 0,5 tun emisí CO2 na tunu skla.23

U skla nelze do budoucna očekávat úspory ve využití či jeho větší substituci. Zároveň představuje důležitý materiál v rámci transformace a dekarbonizace jiných oblastí. Izolační dvojskla a trojskla v oknech, stejně jako izolující skelná vata pomáhají se snížením tepelných ztrát budov. Sklo je také součástí solárních panelů, kde tvoří významnou část hmotnosti panelu, ale i spotřeby energie, která je k jeho výrobě potřeba. Sklo lze rovněž najít ve větrných turbínách v podobě skleněných vláken (ta se ostatně používají i v automobilovém průmyslu coby náhrada za těžší materiály).

Elektrifikace

Podle scénáře od společnosti British Glass23 by celkové emise snížila nejvíce (zhruba o polovinu)23 částečná elektrifikace výroby, která by zmenšila podíl jiných paliv.24 Částečná proto, že menší pece je sice už dnes možné stavět jako plně elektrifikované, ale kromě omezené produkce má jejich konstrukce další výrazné limity (např. v maximální dosažené teplotě). Nezanedbatelnou roli hrají i náklady na elektřinu, které by u větších provozů byly neúnosné.25 V současných vysokokapacitních sklářských pecích se elektřina využívá jen v omezené míře. Teprve v budoucnu – díky novým designům hybridních pecí, které kombinují elektrifikaci a jiné palivo – by se mohl podíl elektřiny na celkové energii potřebné k tavení zvýšit na 20–80 %. 26 (Vyšší míra elektrifikace je teoreticky možná například u obalového skla27, u energeticky náročnějšího plochého skla předpokládá British Glass, že bude technologicky velmi obtížné dosáhnout podílu elektřiny vyššího než 40 %).23 Nicméně pokud by firmy využívaly vlastní solární energii, je tu i možnost finančních úspor.28 Scénář zároveň počítá s dekarbonizací výroby elektřiny, která by dále snížila emise.

Vedlejší metody

  • Vodík – U skla bude důležitý také přechod na vodík, který nahradí zemní plyn jako palivo tam, kde elektrifikace nebude možná. Nahrazení zemního plynu vodíkem by mělo vést k 9% snížení emisí skleníkových plynů.23

  • Recyklace – V EU se už v současnosti recykluje 76 % obalového skla.29 Stejně tak se už dnes při výrobě přidávají střepy ze sběrného skla, což podstatně redukuje současnou energetickou i emisní náročnost produkce. S výrazně vyšší cirkularitou se proto ve sklářství počítat nedá. Opatření podporující vyšší sběr a recyklaci mohou tomuto sektoru ubrat cca 3 % emisí skleníkových plynů.23

  • Použití kalcinovaných a alternativních surovin – (ušetřilo by 2 % emisí CO2).23

  • Zachytávání oxidu uhličitého – CCS se z ekonomických a technologických důvodů považuje za vhodné řešení pouze pro relativně velké pece, které navíc pracují s nižšími podíly střepů. Zavedení CCS by znamenalo o 7 % méně emisí oproti současnému stavu.23

Sklárna

1 tuna skla = cca 0,5 tuny CO2

Zdroj: Unsplash

Poznámky a zdroje

  1. McKinsey&Company, 2020: Laying the foundation for zero-carbon cement, Nature, 2021: Concrete needs to lose its colossal carbon footprint. Ohledně přesného počtu emisí z průmyslu panuje určitá míra nejistoty kvůli nejednotné metodologii hlášení. Existují porovnatelná data z UNFCCC v rámci Common Reporting Format pro takzvané Annex I země (tj. státy v rámci Kjótského protokolu, které v roce 1992 byly členy OECD společně s vybranými východoevropskými státy), které hlásí emise podle jednotné metodologie. Do této kategorie spadá Česká republika i Evropská unie. Zbylé státy světa tuto povinnost zatím nemají a své emise měří a uvádějí různoroději. Ne všechny emise jsou dokonale hlášeny, ovšem více konkrétní představu i tak lze dosáhnout z aktuálně dostupných dat. Situace by se mohla zlepšit v roce 2024, kdy dojde ke sjednocení metodologie napříč světem, což bude znamenant lépe dostupná a poměřitelná data. ↩︎

  2. World Economic Forum, 2022: Net Zero Industry Tracker 2022 Edition ↩︎ ↩︎2

  3. International Energy Agency, 2020: Energy Technology Perspectives↩︎

  4. Rostoucí spotřebu ovlivňuje dle Mezinárodní energetické agentury právě role cementu jako základního stavebního materiálu. I v rámci energetické transformace může být poptávka po cementu vyšší, například ve formě železobetonových základů větrných turbín. ↩︎

  5. Aby byl naplněn scénář Net Zero Scenario Mezinárodní energetické agentury, musela by emisní intenzita cementu být v roce 2030 na úrovni 0,43 tun CO2 na tunu vyrobeného cementu. V posledních letech ovšem lze pozorovat stoupající emisní intenzitu cementu: z 0,54 tun CO2 na tunu vyrobeného cementu v roce 2015 na 0,59 tun CO2 v roce 2021. Hlavním důvodem nárůstu emisní intenzity bylo dle Mezinárodní energetické agentury zvýšení poměru slínku k cementu na 0,72:1. ↩︎

  6. McKinsey&Company, 2020: Laying the foundation for zero-carbon cement, World Economic Forum, 2022: Net Zero Industry Tracker 2022 Edition↩︎

  7. Na základě výpočtů Mezinárodní energetické agentury se náklady na zachytávání CO2 v případě výroby cementu pohybují v rozmezí 55–110 € (1.300–2.600 Kč) za zachycenou tunu CO2. Což je značná částka vzhledem k tomu, že na tunu cementu vzniká podle Mezinárodní energetické agentury průměrně 0,59 tun CO2 a tuna cementu na trhu (bez CCS) dnes stojí přibližně 100–125 € (2.400–3.000 Kč). ↩︎

  8. Podle MIT je možné teoreticky zachytit 99 % emisí, ale ekonomická a energetická náročnost procesu výrazně roste s každým dalším procentem zachyceného CO2↩︎

  9. McKinsey&Company, 2020: Laying the foundation for zero-carbon cement↩︎ ↩︎2 ↩︎3

  10. Náhrada fosilních paliv biomasou či odpady je ovšem pouze částečné řešení. Při významném přechodu na biomasu by mohl vzniknout problém s jejím nedostatkem. Navíc výsledné snížení emisí by stejně nebylo dostatečné a existuje i určitá míra nejistoty ohledně efektivity těchto kroků. ↩︎

  11. Pucolán je jemný písečný sopečný popel. ↩︎

  12. Ve scénáři dekarbonizace od McKinsey je nahrazování slínku popisováno jako efektivní cesta dekarbonizace, může nicméně v budoucnu narážet na nedostatek materiálu. Například u uhelného popílku může dojít ke snížení dostupnosti v důsledku dekarbonizace energetiky a výroby oceli. Ty jsou dnes zdrojem tohoto materiálu. ↩︎

  13. Oliver et al., 2014: Carbon, fossil fuel, and biodiversity mitigation with wood and forests.↩︎

  14. 75% pokles emisí je součástí scénáře McKinsey, který by měl být vést (ve shodě s cílem Pařížské dohody) k udržení hranice oteplení na 1,5 °C (ve srovnání s globální teplotou před průmyslovou revolucí). ↩︎

  15. Hrubý odhad kombinující data z Statista, 2023: Lime production worldwide from 2010 to 2022, European Lime Association: A Competetive and Efficient Lime IndustryLiu et al., 2023: Monitoring global carbon emissions in 2022↩︎

  16. Statista, 2023: Lime production worldwide from 2010 to 2022↩︎

  17. HYCAP, 2022: This global first sees industrial lime produced with clean hydrogen in UK ↩︎

  18. European Lime Association: A Competetive and Efficient Lime Industry↩︎

  19. CCS projekty jsou aktuálně v pilotní fázi například ve vápence firmy Lhoist↩︎

  20. Cemnet, 2022: Decarbonization in the Lime Sector↩︎

  21. Westbroek et al., 2021: Global material flow analysis of glass: From raw materials to end of life↩︎

  22. International Commission on Glass, 2022: International Year of Glass↩︎

  23. British Glass, 2019: Glass Sector Net Zero Strategy 2050↩︎ ↩︎2 ↩︎3 ↩︎4 ↩︎5 ↩︎6 ↩︎7 ↩︎8 ↩︎9

  24. Účinnost tohoto kroku ovšem vychází ze současné podoby energetického mixu ve Velké Británii. V budoucnu (a také v jiných částech světa) bude záležet na tom, do jaké míry se podaří dekarbonizovat výrobu elektřiny. ↩︎

  25. Podle sklářské firmy Mo-Sci záleží mimo jiné i na poměru ceny elektřiny a zemního plynu. Elektrické pece mají zároveň menší životnost než tradiční pece využívající zemní plyn. ↩︎

  26. Podle British Glass je výhodou hybridních pecí případná možnost upravovat podíly zemního plynu a elektřiny v závislosti na tom, jak jsou oba zdroje výhodné. S postupujícím časem mohou výrobci zvyšovat podíl elektřiny. ↩︎

  27. V odvětví obalového skla by hybridní kyslíkopalivová pec měla teoreticky fungovat na elektřinu až z 80 %. V současnosti je ale dle British Glass takováto pec (aby obstála ve velkém průmyslovém měřítku) teprve ve vývoji. ↩︎

  28. Částečná elektrifikace se dle webu E-Fotovoltaika prosadila i v některých českých sklárnách, které tak díky vlastní instalaci solárních panelů dokázaly ušetřit, zejména během výrazného navýšení cen zemního plynu v roce 2022. ↩︎

  29. Statista, 2023: Recycling rate of glass packaging in the European Union (EU-27) from 2005 to 2020 ↩︎