Energetické využití obnovitelných a alternativních zdrojů z hlediska celkových emisí

Úvod

Spotřeba energie v u nás i v Evropě roste, přičemž přibližně polovina je kryta importem. V roce 2007 byl přijat Evropskou unií cíl produkovat v roce 2020 20 % energetických potřeb nekonvenčními typy energetických zdrojů. Při uvažování o mixu fosilních a alternativních zdrojů energie popř. surovinových zdrojů je významným faktorem produkce emisí. Můžeme v této souvislosti dosti zjednodušovat a konstatovat, že kromě fosilních uhlíkových surovin (ropa, uhlí, plyn) máme k dispozici biomasu, můžeme lépe využívat odpady (zaměříme se na využitelné odpadní plasty), v delší perspektivě vodík, a stále se diskutuje o užitečnosti (ekonomičnosti) využívání větrné a solární energie. Opět zjednodušme a konstatujme, že z hlediska emisí je obava ze tří skupin látek. Především z oxidu uhličitého, který je netoxický, avšak jeho nadprodukce lidstvem je gigantická a růst jeho koncentrace je zřejmě rizikový. Další skupinou jsou plynné emise toxických látek – známých zkratek (PCDD, PCDF, PAU, VOC atd), jejichž absolutní produkce je sice malá, ale vliv na živé organismy je markantní, a dále pevné (prachové) emise, které (opět spíše v nepatrném množství) představují mnohdy rozpustnější formy kovových sloučenin (oproti kovovým rudám) a přecházejí tak např. přes půdu a rostliny do potravních řetězců člověka – opět s nežádoucími vlivy na zdraví.

Z těchto zjednodušujících pohledů pak lze hodnotit jednotlivé typy surovin a postupy, kterými lidstvo získává energii a produkty.

Principy postupů využití energetických zdrojů

Principů pro využití energetických a materiálových surovin je nepřeberné množství. Při jistém zjednodušení lze nalézt následující kategorie.

a) Spalování

Spalování je chemický proces, při kterém probíhá reakce s molekulárním kyslíkem a dochází při něm k produkci tepla. Pro optimální spalování se používají hořáky. Hořák je zařízení, kam se přivádí směs paliva a primárního vzduchu. Pevná paliva jsou do hořáků přiváděna v podobě prášku. Kapalná paliva musí být pro spalování rozptýlena v jemné částečky nebo převedena v páry, které se smísí se vzduchem a shoří velmi rychle. Převážná většina tuhých paliv je ovšem doposud v malých zdrojích spalována za neoptimálních podmínek (např. násypná kamna).

Charakteristická reakce:

C_nH_m+(n+m/4) O₂→n CO₂+m/2H₂O

b) Parní reforming

Parní reformování je katalytická reakce uhlovodíků s vodní parou za vzniku oxidu uhelnatého a vody. Reakce probíhá při teplotách 800–1100 °C a katalyzátorem je nejčastěji Ni/α-Al₂O₃. Nejběžnější surovinou je zemní plyn.

Charakteristická reakce:

C_nH_m+n H₂O→nCO+(m/2+n)H₂

c) Parciální oxidace

Principem parciální oxidace je reakce uhlovodíkové suroviny s kyslíko-parní směsí s množstvím kyslíku nedostatečným pro úplné spálení na oxid uhličitý a hlavními produkty jsou oxid uhelnatý a vodík. Probíhá nekatalyticky při teplotách 1350–1600 °C, zvýšených tlacích do 15 MPa (obvykle však 3,4–4,2 MPa). Nejčastější surovinou pro parciální oxidaci jsou těžké ropné zbytky.

Charakteristické reakce:

C_nH_m+n/2O₂→nCO+m/2H₂

C_nH_m+n H₂O→nCO+(m/2+n)H₂

C_nH_m+nO₂→n CO₂+m/2H₂

d) Zplyňování

Zplyňování je tepelný proces, při kterém se organické sloučeniny rozkládají na hořlavé plyny působením vysoké teploty, při které již nejsou původní uhlovodíky stabilní. Energie obsažená v surovině se transformuje na jiný druh energie vázané v produkovaném plynu, zatímco spalováním dochází k produkci tepla. Hlavními produkty plynu jsou CO a H₂, podobně jako u parního reformingu a parciální oxidace. Základní surovinou je pevná hmota jako je uhlí, dřevo/biomasa, nebo odpadní plasty. Reakce probíhající při zplyňování jsou kombinací všech předchozích reakcí.

e) Pyrolýza

Pyrolýza je nekatalytický radikálový proces štěpení uhlovodíků na nižší olefíny probíhající při teplotách 700–900 °C. Provádí se obvykle v přítomnosti vodní páry, která má funkci inertu. Surovinová škála pro pyrolýzu je velmi široká, lze pyrolýzovat suroviny od ethanu, přes LPG, střední destiláty až po těžké destilační zbytky z hydrokrakování. Pyrolýza je též jednou z možností transformace biomasy.

Z hlediska uvedených procesů a sledovaných emisí lze nyní komentovat využití některých obnovitelných resp. alternativních zdrojů.

Biomasa

Z hlediska reálného využití můžeme jako biomasu využít dřevo, slámu a speciálně v ČR též řepkový šrot po extrakci řepkového oleje. Principiální složení biomasy je dáno třemi skupinami látek – celulózou, hemicelulózou a ligninem. Zatímco prvé dvě skupiny jsou v podstatě polymerem sacharidů, je lignin polymer velmi pestrého skupinového složení. Pohled na strukturu nutně musí napovídat, že spalování nejspíše povede k pestré škále zplodin – obvykle nijak zdraví prospěšných. V tabulce č. 1 [1] je uveden přehled, který ukazuje zplodiny při nesprávném (ale velmi rozšířeném způsobu spalování biomasy) ve srovnání se spalováním relativně dokonalým.

Vysvětlivky: NO₂ – oxidy dusíku vyjádřené sumárně jako NO₂; TOC – organické sloučeniny bez methanu vyjádřené sumárně jako C; TZL - tuhé znečišťující látky

Alternativním způsobem využití biomasy je její zplyňování – tedy transformace na syntézní plyn. Zde je však principiální problém. Uvádí se, že doprava biomasy (zejména se jedná o nízkohustotní slámu) má logistické opodstatnění jen do vzdálenosti cca 40 km. Delší doprava znamená rostoucí spotřebu motorové nafty pro svozová vozidla. Ovšem jednotka pro zplyňování spojená s nutnou (a komplikovanou) koncovkou pro čištění syntézního plynu má ekonomickou životaschopnost pouze jako velký kombinát. Např. také proto, že pro zplyňování na syntézní plyn potřebuje jednotku pro separaci vzduchu, neboť zplyňování se děje kyslíkem (viz. výše). Jedním z navrhovaných řešení je kombinace malých lokálních pyrolýzních jednotek pro biomasu a jeden centrální kombinát pro parciální oxidaci produktů pyrolýzy. V každém případě je však vždy investice na úrovni výstavby velkého chemického podniku. Bez masivních dotací je toto zatím nereálné a velkokapacitní jednotky se ve světě nestavějí. Čistý syntézní plyn z biomasy je ovšem (bez přihlédnutí k ekonomice) vysoce šetrný vstup do energetických i chemických řetězců. Šancí pro ČR by bylo využití stávajícího kombinátu ve Vřesové, který zplyňuje uhlí a kde by přídavek biomasy byl technicky schůdný. Studuje se rovněž zplyňování odpadního řepkového šrotu spolu s ropnou surovinou postupem parciální oxidace.

Odpadní plasty

Odpadní plasty představují velkou výzvu jak pro chemii, tak pro energetiku. Na základě direktiv Evropské unie [2] se musí omezovat ukládání hořlavých odpadů na skládky. Nicméně skládkování zůstává hlavním způsobem nakládání s odpady. Odhaduje se, že v západní Evropě se sládkuje 60 % domovního odpadu, ve střední a východní Evropě dosahuje tato hodnota až 80 % [3]. Jednou z cest omezování množství odpadů ukládaných na skládky je jejich energetické využití - WTE (waste-to-energy). V Evropě jsou postupy WTE doposud využívány málo (asi 155 kg na obyvatele). Naproti tomu např. v Japonsku je tato hodnota na úrovni 315 kg/obyvatele. Samozřejmě ne každý typ odpadu je vhodný pro technologie WTE – je přijímána jistá hierarchie v nakládání s odpady:

prevence vzniku > opětovné použití > recyklace > spalování s využitím tepla > skládkování [4].

V této souvislosti je zájem zaměřen na směsný plastový odpad, který lze sotva zpětně využít nebo recyklovat na hodnotné výrobky. Tento plastový odpad je tvořen zejména polyethylenem (PE), polypropylenem (PP), polystyrenem (PS), polyethylentereftalátem (PET), polyvinylchloridem (PVC) a dalšími minoritními plasty. V České republice se vyrábí ročně (velmi zhruba) asi 1 mil. tun plastů, přičemž vzniká ročně cca 560 tisíc tun plastového odpadu – směsných odpadních plastů se vyprodukuje přibližně 200 tis. tun ročně. Část odpadních plastů se separuje (zejména PET), většina se ovšem sládkuje [5]. Potřebnost alespoň energetického využití odpadních plastů plyne z tabulky č. 2.

Problém energetického využití odpadních plastů se koncentruje zejména do otázky tvorby toxických zplodin při spalování. V této souvislosti se prokázalo, že lze odpadní plasty využít jako energetické palivo při zamezení vzniku obávaných toxických látek (zejména PCDD/F). Tomu byla věnována velká výzkumná práce spočívající ve výzkumu vlivů spalovacího režimu a jednoduché vysokoteplotní sorpce na tvorbu persistentních látek. Z výzkumu realizovaném na pilotní peci postavené na principu tří T (temperature, time, turbulence) a využívající směsné plasty jako palivo lze zkráceně uvést některé závěry:

1. Nebyl prokázán zásadní vztah mezi obsahem chloru (v palivu obsažen ve formě PVC) a obsahem PCDD/F ve spalinách.
2. Byl pozorován pozitivní vliv rostoucí teploty na složení spalin.
3. Obsah dioxinů je významně ovlivněn přítomností PET v substrátu.
4. Byl prokázán negativní vliv rychlého a přímého chlazení spalin.
5. Pozitivně se prověřilo zařazení vysokoteplotního adsorbéru na výstupu spalin z pece.
6. Prokázala se souvislost mezi obsahem tuhých znečišťujících látek (TZL) a PCDD/F ve spalinách.

Odpadní plasty lze též s výhodou používat při výrobě cementu. Ta je v ČR na masivní úrovni a její ekonomičnost je mimo jiné dána využíváním odpadních plastů jako součást palivové základny instalovaných cementáren. Uvažme, že spaliny procházejí po delší reakční dobu vysoce reaktivním prostředím trubkové pece s teplotním polem kolem 1400 °C. Destrukce toxických látek je zde tak prakticky totální.

Komunální odpady obecně

Sice často kritizovaným, zato nepochybně nejmasověji využívaným postupem energetického využití odpadů, jsou spalovny komunálních odpadů. Na několika obrázcích č. 1 a 2 [6] jsou dokumentována nízká emisní rizika spaloven komunálního odpadu (SKO).

Bez větších komentářů lze z hlediska emisí konstatovat, že velké spalovny dokonale vybavené jednotlivými čistícími stupni představují minimální emisní riziko při vysokém stupni využití odpadů na energie.

Biopaliva

Při úvahách o využívání obnovitelných resp. alternativních zdrojů je nutno krátce zmínit problematiku motorových biopaliv a to první (současné) i druhé (výhledové) generace. U paliv lze relativně snadno dosáhnou dokonalého vyčištění spalin. Problém se tak omezuje na vysoký příspěvek dopravy na tvorbu oxidu uhličitého. Zde spojme dva soubory úvah. První se týká spotřeby pohonných hmot resp. produkce CO₂. Pro konstantní rychlost běžného osobního automobilu po rovině a za ideálních povětrnostních podmínek nalezneme [7] následující příklad spotřeby a produkce oxidu uhličitého (snahou konstruktérů automobilů je dnes dosáhnout cílové hodnoty 120 g CO₂/km) viz tabulka č. 3.

Tedy shrňme. Pokud se snažíme nahradit 5 až 10 % ropných motorových paliv biopalivy (a to i za cenu ekonomických ztrát), pak veškerá tato snaha přichází nazmar, pokud by se např. povolily vyšší rychlosti na našich silnicích.

U biopaliv je nutné přistoupit vždy k objektivnímu posouzení vlivu na emise. Je pravda, že emitovaný CO₂ pochází z recentních zdrojů, ovšem při posouzení celkového „životního cyklu“ docházíme často k překvapivým emisně-ekologických závěrům. Viz obrázek č. 3 [8].

Z obrázku lze například vyčíst, že při výrobě bioethanolu z pšenice, což je u nás zaváděný postup, je celková produkce oxidu uhličitého vyšší než při použití uhlovodíkového paliva. Bioethanol je ovšem dražší. Přitom kvasná výroba biolihu není nijak emisně bezproblémová. Předně, při anaerobní fermentaci přechází primárně téměř jedna třetina substrátu přímo (bez využití) na CO₂. Dále není nijak vyloučené, aby lihovar emitoval při sušení lihových výpalků (1/3 produkce) některé organické látky typu methylbutanalů apod. Nemluvě samozřejmě o vysoké spotřebě (fosilní) energie na dopravu a na výrobu tepla pro instalované procesy.

Vodík

Občas se tvrdí, že je vodík palivem budoucnosti. Prvá závada v tomto tvrzení spočívá v tom, že vodík není palivem, nýbrž pouze přenašečem energie. To znamená (jelikož se nevyskytuje v přírodě volně), že musíme vodík vyrobit. V principu dnes známe jen několik postupů, jak vodík vyrobit. Společným rysem těchto postupů je, že surovina i nutná energie je dodávána vesměs z fosilních zdrojů. Spalování vodíku v motorech vybavených palivovými články je sice efektivní, pokroky v levné konstrukci palivových článků však zatím nenaznačují brzké masové využití. A klasické spalování vodíku – za motorem vzniká sice jen voda – je zdaleka emisně nejhorší postup. Vodík vyrobený za ceny vysokých emisí ve vodíkárně spálíme s malou účinností ve spalovacím motoru vozidla. V následujících rovnicích jsou uvedeny hlavní pochody při výrobě vodíku parním reformováním, což je dnes zdaleka nejrozšířenější způsob jeho výroby. Z rovnic plyne, že vodík se vyrábí za cenu značné produkce oxidu uhličitého.

CH₄ + H₂O(g) = CO + 3H₂ CH₄ + 2H₂O(g) = CO₂ + 4H₂ CO + H₂O(g) = CO₂ + H₂

Pokud nemáme k dispozici masivní zdroj skutečně bezemisní energie např. z jaderné elektrárny, pak neumíme vodík vyrobit bez značné produkce oxidu uhličitého. Takovýto vodík jistě nebude palivem budoucnosti.

Závěr

Při použití fosilních i obnovitelných resp. alternativních zdrojů vznikají emise problematické z hlediska životního prostředí. Při úvahách o jejich využívání je vždy potřebné objektivně zhodnotit celý životní cyklus suroviny. V palivářské problematice se ujalo heslo „well to wheels“. Jen takovýmto rozborem můžeme objektivně hodnotit jednotlivé zdroje, a poté je využít s cílem minimalizovat celkové emise při jejich transformaci.

Literatura

• 1. Tekáč V., Skácel F., Čížek Š., Tenkrát D.: Je spalování biopaliv v domácnostech ekologické ? Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Ústav plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší, 2008.
• 2. European Union, Council Directive 1999/31/EC of 26 April 1999 on the landfill of waste, Official Journal of the European Communities, Vol.L182, 1999, pp. 119.
• 3. European Environment Agency, Europe’s environment: the 3rd assessment (assessment report No. 10), Publications Office of the European Communities, Luxembourg, 2003.
• 4. European Topic Centre on Waste, Waste in The EU at the Turn of the Century, European Environment Agency, Copenhagen, 1999.
• 5. KO-KOM, Annual EKO-KOM Report, EKO-KOM, a. s., Praha, 2005.
• 6. Peroutka K., Suzová J., Kubal P.: Využití sorbentů CHEZACARB pro čištění spalin a plynů s účinností převyšující legislativní požadavky, Aprochem 2008.
• 7. Fuels and Engines, IFP, TECHNIP Ed., Paris 1999. 8. Well-to-Wheels Analysis of Future Automotive Duele and Powertrains in the European Kontext, Institute for Environment and Sustainability, Luxemburg, 2006. OZE 201022. - 23. dubna 2010, Kouty nad Desnou

Článek vyšel ve sborníku ODPADOVÉ FÓRUM 2010 (21. - 23. dubna 2010, Kouty nad Desnou).

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu