Jak dekarbonizovat výrobu cementu, vápna a skla?

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.

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.

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.

• 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

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.

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

Poznámky a zdroje