Zdroj:
Unsplash
Autor:
Anton Eprev
Licence:
Unsplash License

Jaké jsou technologie dekarbonizace průmyslu?

Průmysl výrazně přispívá ke změně klimatu tím, že vypouští velké množství skleníkových plynů. Zároveň jde o oblast lidské činnosti, jejíž dekarbonizace je velmi obtížná. Tento text popisuje hlavní možnosti, jak lze snížit emise v důležitých výrobních sektorech, jaký je očekávaný vývoj potřebných technologií a které výzvy bude nutné řešit.

Při dekarbonizaci průmyslu bude potřeba jednak nahradit zdroje tepelné energie využívané při výrobě, jednak snížit emisní náročnost výrobních procesů, což jsou často chemické reakce. Důležité bude také zachytávat emise CO2, jejichž snížení zatím není možné (obvykle proto, že nízkoemisní technologie výroby neexistuje nebo je teprve ve vývoji).

K celkové obtížnosti transformace průmyslu přispívají i ekonomické aspekty a nutnost vybudovat či upravit rozsáhlou infrastrukturu, bez které se zavádění nových paliv a technologií neobejde.

Jakými způsoby je možné průmysl dekarbonizovat?

Pro celý sektor existují tři hlavní metody:

Piktogram zachytávání CO2

Zachytávání CO2 (CCS)

Piktogram využití vodíku

Využití vodíku s nízkou uhlíkovou stopou

Piktogram elektrifikace

Elektrifikace

V omezené míře mohou se snížením emisí pomoci také tyto doplňkové metody:

Piktogram recyklace

Recyklace

Piktogram využití odpadu a biomasy jako paliv

Využití odpadů a biomasy jako paliv

Piktogram náhrady používaných surovin

Náhrada používaných surovin či výsledného produktu šetrnější alternativou

Piktogram zvyšování efektivity

Zvyšování efektivity a různé úspory

Hlavní metody

Zachytávání CO2 (CCS)

Piktogram zachytávání CO2

Proces zachytávání CO2 se označuje zkratkou CCS (Carbon Capture and Storage). Zachycené CO2 je následně přepraveno a uloženo v geologických strukturách, například do vytěžených ložisek zemního plynu a ropy či do hluboce uložených geologických vrstev obsahujících slanou vodu. Teoreticky je možné zachycené CO2 i průmyslově využít, do budoucna se však očekává, že většina se bude ukládat.1

Tato technologie se pro využití v dekarbonizaci průmyslu hodí zejména v případech, kdy chemické reakce, při nichž vzniká CO2, není možné přímo nahradit či nelze výrazně snížit jejich emisní náročnost. Příkladem může být proces kalcinace při výrobě cementu, kdy se uhličitan vápenatý (CaCO3) mění na oxid vápenatý (CaO) a uvolňuje se oxid uhličitý (CO2). Bez tohoto chemického procesu se zatím výroba cementu neobejde, nezbývá tedy než uvolněný oxid uhličitý zachytit.

Projekty zachytávání CO2 často cílí na zachycení 90 % emisí CO2 daného průmyslového provozu (čím blíže 100% zachycení, tím více se proces zdražuje a komplikuje2). V praxi jsou už otestovány různé způsoby zachytávání, v dnešní době však nejsou v průmyslu příliš běžné. Většímu využití brání především poměrně vysoké finanční náklady na instalaci a provoz zachytávacího zařízení. K tomu se přidává skutečnost, že zatím není vybudována dostatečně rozsáhlá infrastruktura, jež by umožnila následný transport a uložení či zpracování CO2. Do budoucna tak musí zejména být připravena podzemní úložiště pro zachycené CO2. Je také důležité dodat, že proces zachytávání CO2 je energeticky náročný.3

Přesto se CCS u mnoha výrobních procesů v průmyslu do budoucna jeví jako možné a efektivní řešení, které má potenciál využití ve velkém měřítku.

Zelený vodík

Piktogram využití vodíku

Může nahradit fosilní paliva, která se v průmyslu spalují kvůli dodání tepla. Vhodný je zejména v situacích, kdy je nutné dosáhnout velmi vysokých teplot (např. při výrobě železa je to okolo 1500 °C4). Zároveň může v některých případech sloužit jako náhrada vstupních surovin, jež se používají při chemických reakcích během průmyslových procesů – tak je tomu například při výrobě amoniaku nebo při redukci železné rudy.

Lze proto očekávat, že zelený vodík bude při dekarbonizaci průmyslu hrát klíčovou roli. Míra jeho využití bude nicméně značně závislá na vývoji jeho ceny – ta je zatím příliš vysoká. Platí to obzvláště ve srovnání s cenou fosilních paliv, která může zelený vodík nahrazovat.

V současnosti se celosvětově 95 % vodíku pro průmyslové využití vyrábí ze zemního plynu,5 o jeho nízké emisní intenzitě tedy zatím nemůže být řeč. Tato situace se ovšem může změnit – jestliže se vodík začne ve velkém vyrábět pomocí obnovitelné elektřiny. Takový vodík se nazývá zelenýje považován za jednu z hlavních metod dekarbonizace průmyslu. Je ovšem nutné dodat, že k dekarbonizaci průmyslu touto cestou by bylo potřeba obrovské množství zeleného vodíku, což by vyžadovalo opravdu značné navýšení výroby obnovitelné elektřiny.6

Vyrobený vodík se rozlišuje podle původu, resp. emisní náročnosti produkce, a označuje se různými „barvami“. Z hlediska možného využití jsou nejdůležitější tyto čtyři:

Piktogram zeleného vodíku

Zelený – produkován štěpením vody pomocí elektrolýzy, veškerá potřebná energie pochází z obnovitelných zdrojů

Piktogram růžového vodíku

Růžový – získáván elektrolýzou za pomoci elektřiny a tepla z jaderných elektráren

Piktogram modrého vodíku

Modrý – vyráběn ze zemního plynu, ale emise z tohoto procesu jsou zachyceny a následně uloženy či využity

Piktogram šedého vodíku

Šedý – produkován ze zemního plynu bez zachytávání CO2 (v současnosti zatím zdaleka nejběžnější způsob výroby)

Dále bude nutné vybudovat speciální infrastrukturu potřebnou k přepravě – jednak kvůli minimalizaci možného úniku plynu a jednak je transport vodíku kvůli jeho fyzikálním vlastnostem výrazně složitější, než je tomu například u zemního plynu (vodík má nízkou objemovou hustotu energie, tedy zabírá poměrně velký objem, a to komplikuje proces stlačení). Pokud bychom chtěli vodík zkapalnit, museli bychom jej zchladit na -253 °C7 (u zkapalnění zemního plynu stačí teplota -161,5 °C8).

Lze očekávat, že se CCS a vodík v budoucnu významně rozšíří?

Zachytávání CO2 i využití vodíku jsou v současnosti drahá řešení, která nejsou zdaleka tak rozšířená, jak by bylo pro dekarbonizaci průmyslu potřeba. To se do budoucna může změnit s tím, jak se tyto technologie budou dále vyvíjet, náklady na jejich používání budou klesat a zároveň poroste související trh. Ke zlevnění by mělo přispět také postupné dosažení úspor z rozsahu, tedy snížení nákladů na vyrobený produkt díky tomu, že se jej vyrábí větší množství a je už mnohem více zkušeností s výstavbou a provozem potřebných zařízení. (Podobný vývoj byl v posledních dvou desetiletích vidět například u obnovitelných zdrojů energie.)

Pokud dojde ke zlevnění a k vybudování související infrastruktury, bude to v dekarbonizaci průmyslu významná pomoc. Na druhou stranu je však třeba počítat i s rizikem, že tato infrastruktura nebude vznikat dostatečně rychle nebo že úspory z rozsahu budou omezené a vodík i CCS zůstanou ekonomicky nedostupné.

Elektrifikace

Piktogram elektrifikace

Spalování v průmyslu lze částečně nahradit i využitím elektřiny – k dodání potřebného tepla. Toto řešení je nicméně vhodné spíše u nižších teplot, například v papírenském průmyslu, kde obvykle stačí teploty v rozmezí 50–250 °C.9

V některých odvětvích ovšem výroba vyžaduje tak vysoké teploty, že je zde elektrifikace technicky velmi složitá a zároveň značně neekonomická. Typickým příkladem je cement, při jehož produkci je zapotřebí dosáhnout teplot v rozmezí 1300–1450 °C.10 V takových případech je ke zvážení varianta v podobě hybridního zařízení, které k dosažení uvedených teplot využívá elektřinu a (například) zemní plyn. Takovéto hybridní pece najdou uplatnění třeba ve sklářském průmyslu.11

U elektřiny zároveň záleží na její emisní intenzitě. Pokud je vyrobena z fosilních paliv, nemusí náhrada těchto paliv v rámci spalování v průmyslu vycházet emisně lépe. Dojde-li naopak k rozvoji nízkoemisních zdrojů elektřiny, bude tento problém vyřešen a elektrifikace může ke snižování průmyslových emisí významně přispět.

Doplňkové metody

Mezi ně patří: recyklace, využívání biomasy a odpadů k vytápění, různé náhrady surovin či využívání alternativních produktů a také úspory díky zvyšující se efektivitě.

Vědecký a technologický pokrok může do určité míry v rámci dekarbonizace průmyslu rovněž pomoci – je například možné, že budou objeveny nové, efektivnější technologie či postupy. Nicméně spoléhat na to příliš nelze. U průmyslových odvětví, kde je dekarbonizace největším oříškem, probíhá takový výzkum a vývoj už mnoho let. Nové technologie a postupy tak budou mít spíše podobu drobných zlepšení, pravděpodobnost radikálních změn není velká.

Recyklace

Piktogram recyklace

V mnoha průmyslových odvětvích se v současnosti už využívá relativně vysoká míra recyklace, alespoň v rozvinutých zemích. Například u hliníku dosahuje v EU recyklace 76,3 %.12 Takže i když v některých sektorech13 ještě určité snížení emisí díky recyklaci možné je, prostor pro další výrazný posun v tomto směru je často už omezený. Navíc recyklaci mnohdy paradoxně limituje také dlouhá životnost některých produktů (platí třeba u výrobků z oceli).

Kromě toho recyklovaný materiál může být náročnější na zpracování nebo má omezenou využitelnost, někde se tedy jeho sběr a znovupoužití zatím ekonomicky nebo dokonce ani emisně nevyplácí.

Využití odpadů a biomasy jako paliv

Piktogram využití odpadu a biomasy jako paliv

V současné době už funguje mnoho podniků, které odpady nebo biomasu zčásti využívají, ani zde tedy často nebývá prostoru k dalšímu zlepšení mnoho. V konkrétních případech některých provozů (např. u cementáren) může být takový postup výhodný ekonomicky i pro přírodu, ale zdaleka jej nelze uplatnit všude. Jednak to není technicky možné a jednak by při opravdu velkém přechodu brzy došlo k problému s nedostatkem vhodného odpadu i environmentálně udržitelné biomasy. Ve spalovaném odpadu (v podobě tzv. tuhých alternativních paliv) je navíc velká část uhlíku fosilního původu, takže jeho využití významné snížení emisí nepřináší.14 Kromě toho ani spalování biomasy nemusí mít tak nízkou uhlíkovou stopu, jak se často prezentuje.15

Náhrada surovin či produktu šetrnější alternativou

Piktogram náhrady používaných surovin

O nahrazování jednotlivých částí výrobního řetězce se dá uvažovat zejména ve dvou rovinách:

  • Substituce vstupních surovin, z nichž vyrábíme. Plasty nemusí být z ropných produktů, ale z biomasy; slínek (důležitý meziprodukt při výrobě cementu) lze zčásti nahradit odpadními materiály z jiných odvětví a podobně.
  • Použití alternativy za výsledný produkt. Místo betonu a oceli je možné ve stavebnictví více využívat dřevo, plastové obaly se leckde dají nahradit skleněnými nebo papírovými.

Nahrazování primárních zdrojů je považováno za součást možných řešení, pomůže ale jen s relativně malým procentem emisí nebo s ním jsou spojeny další problémy (např. jiné vlastnosti hotového výrobku). Ve většině případů se alternativy základní vstupní suroviny nebo jiný katalyzátor reakce hledají jen velmi obtížně. Třeba cement, jak jej známe dnes, nelze vyrobit bez vápence.

Při úvahách o alternativě výsledného produktu (typicky za plasty), bývá často jedinou možnou náhražkou produkt z jiného průmyslového sektoru, který je také potřeba dekarbonizovat. U nahrazování přírodními alternativami (ať už jde o surovinu nebo produkt) je opět nutné vzít v úvahu, že kvalitního dřeva a jiné biomasy není a nebude k dispozici neomezené množství.

Zvyšování efektivity a provozní úspory

Piktogram zvyšování efektivity

Z hlediska zvyšování efektivity a maximálních provozních úspor už mnoho průmyslových odvětví došlo daleko. Každý další krok ke zvýšení efektivity tak znamená mnohem menší zlepšení než dříve. V minulosti nebyla snaha o optimalizaci postupů v průmyslu motivována snahou dekarbonizovat, často šlo spíše o úspory z ekonomických důvodů. Přesto stále určitý prostor pro další optimalizaci v průmyslu existuje, zejména v globálním měřítku (velké rozdíly jsou například mezi průmyslem v západní Evropě a v Číně).

Pomohlo by, kdyby lidé snížili svou spotřebu?

V souvislosti s dekarbonizací a transformaci průmyslu se často objevují také otázky ohledně celkového snižování spotřeby. Vzhledem ke stále rostoucí a urbanizující se světové populaci a fungování systému, který je založen na ekonomickém růstu16, jsou rozsáhlejší úspory ve spotřebě v nejbližších dekádách nepravděpodobné. Naopak v klíčových průmyslových odvětvích očekáváme zvýšení globální poptávky až o desítky procent (platí například pro ocel, cement, hliník či amoniak).17

Dále lze v souvislosti s dekarbonizací průmyslu uvažovat o zavedení principů cirkulární ekonomiky. Zatímco v tradičním (lineárním) ekonomickém modelu se produkt vyrobí, použije a nakonec vyhodí jako odpad, v cirkulární ekonomice jde o to pracovat se zdroji a materiály co nejefektivněji a co nejvíce je recyklovat a znovu využívat. Nejde jen o zlepšení už zmíněného procesu recyklace, ale i o snahu navrhnout produkt tak, aby vydržel déle, aby se dal používat opakovaně, případně zavést systémy umožňující sdílené využívání produktů (např. aut či kol), které přispívají k tomu, že se vyrábí méně. Jinými slovy: využití cirkulárních principů má za cíl minimalizovat odpad, snížit tlak na omezené zdroje a vytvořit udržitelnější a odolnější ekonomiku. Tento přístup postupně získává na popularitě, mimo jiné díky tomu, že umožňuje také snížit náklady na zdroje a energii, redukovat emise skleníkových plynů a má řadu ekonomických i sociálních přínosů. Jeho hlavní uplatnění je ovšem spíše v segmentu koncových produktů (například u oblečení, osobních automobilů nebo ve stavebnictví) – daleko těžší je využít tyto principy přímo u výroby základních průmyslových surovin, například při výrobě oceli (kde je už dnes míra recyklace velmi vysoká). Koncept cirkulární ekonomiky tedy může být při snižování poptávky po základních průmyslových surovinách užitečný, ale má své limity.18

Jaké tržní a regulační nástroje mohou dekarbonizaci podpořit?

Dekarbonizaci průmyslu by velice pomohly také ekonomické pobídky, systematická podpora a vytvoření vhodného legislativního prostředí. V Evropské unii to může být Průmyslový plán Zelené dohody19, v USA Inflation Reduction Act – oba podporují dekarbonizaci průmyslu například prostřednictvím finančních pobídek pro CCS či vodík.

V EU je rovněž v plánu používat mechanismus uhlíkového vyrovnání na hranicích (CBAM), tedy v podstatě uhlíkové clo. Proč bude potřeba jej zavést? Dekarbonizace průmyslu je nákladný proces, který mnohdy povede ke zdražení výsledného produktu. Hrozí tak, že evropské firmy, které se transformovaly dříve než firmy jinde ve světě, by najednou nebyly uvnitř EU20 konkurenceschopné. Navíc musí ještě pokrýt své emise povolenkami v systému EU ETS. V rámci uhlíkového vyrovnání je proto vypočítána uhlíková intenzita daného produktu a pokud někdo dováží toto zboží ze zemí mimo EU, bude si muset zakoupit certifikát, aby dorovnal cenu a ta tak byla srovnatelná s cenou produktu vyrobeného v Unii.

Kromě toho existuje také koncept takzvaných advance market commitments (předběžné tržní závazky), tedy závazek určité firmy, že v budoucnu nakoupí konkrétní produkty spojené s dekarbonizací. Například do nějakého roku zaplatí za kredity spojené s odstraněním CO2 z atmosféry21 nebo se zaváže k zakoupení nízkoemisního průmyslového produktu (třeba „zelené“ oceli). Protože vývoj těchto technologií je velmi drahý a zpočátku nekonkurenceschopný, dává systém předběžných tržních závazků firmám, které tyto nové technologie vyvíjejí, větší záruku návratnosti investice – vědí už, že mají do budoucna zajištěné nějaké odběratele.

Závěr

Z předchozích kapitol plyne, že i když jde o obtížný proces, průmysl dekarbonizovat lze.

Hlavními technologiemi dekarbonizace jsou CCS a vodík, bude ovšem nutné je výrazně rozšířit a vybudovat pro ně potřebnou infrastrukturu, aby byly cenově dostupnější. Klíčová je také elektrifikace průmyslu, ta ale závisí i na dekarbonizaci samotné výroby elektřiny. Mezi doplňkové nástroje patří zvyšování efektivity, recyklace, využití odpadů a biomasy v rámci spalování a různé formy nahrazování surovin či používaných produktů.

Protože nelze čekat výrazný pokles poptávky po základních typech průmyslového zboží a průmysl je zároveň výrazným zdrojem emisí, o to důležitější je podpořit právě dekarbonizaci průmyslu. Musí vznikat ambiciózní legislativa a na ni navázaná výrazná finanční podpora a dále je třeba zajistit konkurenceschopnost transformujících se průmyslových sektorů. V neposlední řadě je nezbytné, aby jednotlivá odvětví průmyslu v rámci dekarbonizace více spolupracovala, například prostřednictvím sdílení své infrastruktury.

Zdroje a poznámky

  1. Očekává se, že 95 % zachyceného CO2 bude uloženo pod zem a zbylých 5 % by bylo využito na výrobu syntetických paliv. Háček spočívá v tom, že pokud vyrobíme syntetická paliva ze zachyceného uhlíku, který pochází z fosilních paliv, tento uhlík se při spálení těchto syntetických paliv zase brzy uvolní do atmosféry. Proto je důležité zachycovat uhlík také z biomasy, abychom mohli dosáhnout neutrální emisní bilance. ↩︎

  2. Je jednodušší zachytávat CO2 při vyšších koncentracích tohoto skleníkového plynu v atmosféře. Po odstranění většiny molekul, tedy výrazném snížení koncentrací, se proces zachycování stává obtížnějším↩︎

  3. Energetické nároky CCS znamenají spotřebu 250–300 kWh za každou zachycenou tunu CO2. Stlačení CO2 vyžaduje dalších 80–120 kWh za tunu CO2. Při kalcinaci během výroby cementu v Česku se ročně uvolní asi 1,9 Mt CO2, tedy jeho zachycení a stlačení by vyžadovalo navíc asi 0,75 TWh elektřiny ročně (asi 1 % spotřeby celé ČR, ovšem více než 100 % současné spotřeby v cementárnách). ↩︎

  4. Teploty 1500 °C dosahuje tekuté železo poté, co opustí pec↩︎

  5. Jedná se o proces, kdy metan reaguje s vodní párou. Při této reakci se uvolňuje CO2, podobně jako při spalování metanu. ↩︎

  6. Celosvětová poptávka po vodíku v roce 2050 se odhaduje ve stovkách Mt ročně (např. podle IRENA je to přes 600 Mt). Český hard-to-abate průmysl by podle hrubého odhadu potřeboval k dekarbonizaci okolo 0,5 Mt zeleného vodíku ročně, což by vyžadovalo cca 25 TWh zelené elektřiny ročně, tedy asi desetinásobek současné produkce solární a větrné energetiky v Česku. Není ale myslitelné, že bychom takto využívali veškerou obnovitelnou elektřinu. Zelený vodík dává největší ekonomický smysl vyrábět z přebytků elektřiny (kdy je její cena na burze velmi nízká). ↩︎

  7. Tento proces je výrazně energeticky a finančně náročný↩︎

  8. Zkapalněný zemní plyn zaujímá přibližně 1/600 objemu, který má v plynném skupenství. ↩︎

  9. 75 % energie je využito právě na spalování, aby bylo dosaženo potřebných teplot. ↩︎

  10. Takto vysoké teploty jsou nutné pro tvorbu slínku↩︎

  11. Nejnovější pece ve vývoji používají 80 % elektřiny a 20 % zemního plynu↩︎

  12. Jedná se například o recyklaci plechovek, ale i průmyslově využitého hliníku↩︎

  13. Velké rezervy jsou například v sektoru stavebnictví, který v EU produkuje skoro 40 % odpadu↩︎

  14. Kromě cementářství je o tuhá alternativní paliva dnes v Česku zájem i ze strany tepláren a elektráren. ↩︎

  15. Jedním z problémů při rozsáhlém získávání biomasy může být vyčerpávání půdních zásob uhlíku či organického humusu↩︎

  16. Lze tak zaznamenat kritické hlasy nerůstového hnutí, které poukazují na obtížnost či přímo nemožnost zkombinovat ekonomický růst s výrazným poklesem spotřeby a nutnost hledat nový ekonomický model. Oproti tomu Zelená dohoda pro Evropu (Green Deal) je založena na myšlence environmentálního a ekonomického decouplingu, což znamená, že ekonomický růst jako cíl zůstává, je však oddělen od zvyšování spotřeby (díky zlepšování efektivity či zavádění nových technologií). ↩︎

  17. Největší růst se může týkat Číny, Indie, zemí jihovýchodní Asie a Afriky↩︎

  18. Mezi další problémy, které mohou stát v cestě většímu rozšíření principů cirkulární ekonomiky, patří například neochota měnit své chování či dosud používané postupy (jak u firem, tak u běžných spotřebitelů)↩︎

  19. Průmyslový plán Zelené dohody má za cíl podpořit výrobu a rozvoj zelených technologií v EU. ↩︎

  20. Mechanismus CBAM ovšem řeší jen import do EU. Nepodporuje export mimo EU a tak nedokáže zajistit konkurenceschopnost (dražších dekarbonizovaných) evropských surovin mimo Evropu. ↩︎

  21. Zde se jedná například o projekty přímého zachytávání CO2 ze vzduchu↩︎