Využívání uhlíku přeměňuje odpad na hodnotu

Zachycování uhlíku je novou odpovědí na snížení průmyslových emisí skleníkových plynů (GHG). Po zachycení oxidu uhličitého z výfukových plynů z procesů se obvykle převáží z místa původu k dlouhodobému uložení do podzemí. Technologie a průběžné monitorování úložišť jsou však nákladné.

Aby se částečně kompenzovaly náklady, mohl by se zachycený CO₂ znovu využít k vytváření hodnot, místo aby se pouze skladoval. Tento postup, známý jako recyklace uhlíku, spadá do širšího rámce zachycování, využívání a ukládání uhlíku (CCUS), což je kolektivní řešení, které má pomoci splnit cíle nulových čistých emisí do roku 2050 a zmírnit klimatické hrozby.

V současné době průmysl ročně zachytí 45 milionů tun oxidu uhličitého z odpadních plynů, což představuje přibližně 0,1 % celosvětových emisí ze všech odvětví. Podle klimatických modelů Mezivládního panelu pro změnu klimatu a Mezinárodní energetické agentury by CCUS mohl do roku 2030 zachytit ohromující 1 miliardu tun CO₂ ročně a do roku 2050 několik miliard tun. Pokud emise oxidu uhličitého z průmyslových a jiných odvětví zůstanou při dosažení této schopnosti zhruba stejné, mohlo by to snížit emise skleníkových plynů v atmosféře přibližně o 10 %.

Technologie CCUS vyžadují spolehlivé měření v kritických bodech, aby byla zajištěna kvalita a bezpečnost procesu. Obvykle zahrnují měření hladiny, průtoku, teploty, tlaku, analýzu kapalin a stále častěji i analýzu plynů pomocí Ramanových spektroskopických a TDLAS analyzátorů.

Vzhledem k vysokým nákladům na zachycování CO₂ je pro zpracovatele, kteří implementují technologie CCUS, zajímavá schopnost přeměnit významné objemy tohoto plynu na hodnotný produkt. Aplikace a odvětví, která mohou těžit z využití uhlíku, jsou četná a zahrnují mimo jiné následující příklady:

Známý pro svou významnou spotřebu energie a uhlíkovou stopu, stavební průmysl může využít zachycování a využití uhlíku k vytvoření udržitelnějších stavebních materiálů. Tradiční procesy výroby cementu zahřívají materiály na teploty přesahující 1450°C (2642°F), obvykle za použití těžkého topného oleje, uhlí, zemního plynu nebo jiných paliv získaných z odpadu. Navíc chemická reakce běžně používaná k výrobě cementu vyžaduje přeměnu uhličitanu vápenatého na sloučeniny podobné oxidu vápenatému, což jako vedlejší produkt generuje CO₂. Tyto emise dohromady odpovídají přibližně za 7 % světové produkce skleníkových plynů.

Toto však lze zmírnit zachycováním oxidu uhličitého z výfukového proudu pomocí amoniakové úpravy plynu a jeho vstřikováním do čerstvého betonu během míchacího procesu. Vstřikovaný CO₂ reaguje s ionty vápníku přítomnými ve směsi betonu a vytváří uhličitan vápenatý, což je přirozeně se vyskytující pojivo. Tím se beton obohacuje zvýšením jeho pevnosti v tlaku a trvalým ukládáním oxidu uhličitého, čímž se eliminuje potřeba skladování a monitorování v geologických formacích.

Toto zvýšení pevnosti betonu umožňuje snížení množství materiálu v stavebních projektech, což přináší úspory, které částečně kompenzují náklady na amoniakovou úpravu. Navíc lze vstřikování CO₂ integrovat do stávajících procesů výroby betonu s minimálními úpravami stávající infrastruktury.

Oxid uhličitý lze také použít k vytvoření syntetických kameniv, což je klíčová složka betonu, která nahrazuje tradiční kameniva těžená ze země. Navíc se objevují inovativní přístupy k vývoji bio-based uhlíkově negativních alternativ k betonu, při kterých výrobní proces absorbuje více CO₂, než vypouští.

Dopravní sektor, který je silně závislý na fosilních palivech, může získat významné výhody v oblasti udržitelnosti díky využití uhlíku. Prostřednictvím různých chemických procesů lze zachycený CO₂ přeměnit na obnovitelná paliva, jako je metanol a udržitelné letecké palivo (SAF), což pomáhá snížit uhlíkovou stopu tohoto odvětví.

Pro výrobu obnovitelného metanolu se zachycený oxid uhličitý (CO₂) smíchá se zeleným vodíkem (H₂) za vysoké teploty a tlaku. Tento proces využívá katalyzátor, který pomáhá reakci proběhnout. Výsledný metanol lze použít jako palivo pro auta nebo jako surovinu pro výrobu jiných paliv, například bionafty.

S&P Global předpovídá, že trh s obnovitelným metanolem dosáhne do roku 2050 roční produkce 400 milionů metrických tun, což ukazuje jeho obrovský potenciál. Nicméně, používání metanolu v dopravním průmyslu přináší výzvy, včetně potřeby specializované infrastruktury.

Letecký průmysl podobně zkoumá využití udržitelného leteckého paliva (SAF) vyrobeného ze zachyceného CO₂, aby snížil svou závislost na fosilních palivech. Pro výrobu SAF se nejprve zachycený oxid uhličitý (CO₂) smíchá s vodíkem v procesu zvaném reverzní vodní plynárenský posun. Tento proces vytváří syntézní plyn, což je směs oxidu uhelnatého a vodíku.

Dále se syntézní plyn přemění na směs uhlovodíků pomocí Fischer-Tropschova procesu. Tato směs uhlovodíků pak prochází hydroprocesingem, který odstraňuje nečistoty a upravuje vlastnosti paliva. Charakteristiky leteckého paliva, jako je energetický obsah, bod vzplanutí a bod tuhnutí, musí být pečlivě sledovány a kontrolovány.

Ačkoli je stále ve fázi raného vývoje, Mezinárodní asociace letecké dopravy odhaduje, že SAF by mohl přispět ke snížení emisí skleníkových plynů v letectví o 65 %.

Chemický průmysl je v současnosti silně závislý na fosilních palivech, ale oxid uhličitý lze v mnoha případech použít jako alternativní surovinu pro výrobu široké škály chemikálií a polymerů. Patří sem močovina pro hnojiva, plasty a obalové materiály.

Když CO₂ reaguje s amoniakem za vysokého tlaku a teploty, vzniká karbamát amonný. Jakmile se tato chemikálie rozkládá, produkuje močovinu a vodu, které lze následně zpracovat a granulovat do pevné formy pro použití jako hnojivo.

Oxid uhličitý lze také použít k výrobě polykarbonátů. Tyto odolné a průhledné polymery se běžně používají v elektronice, brýlích a automobilových dílech. Tyto polymery vznikají přímou reakcí CO₂ s epoxidy, což je typ cyklického etheru, za přítomnosti katalyzátoru.

Výroba polyuretanů je dalším významným využitím oxidu uhličitého v chemickém průmyslu. Polyuretany, známé svou všestranností a použitím v pěnách, nátěrech a izolacích, se tradičně vyrábějí pomocí polyolů získaných z fosilních paliv. Nicméně, výrobci mohou tyto polyoly nahradit polyoly na bázi oxidu uhličitého, čímž se sníží závislost na konvenčních palivech a sníží se uhlíková stopa polyuretanových produktů.

Tyto udržitelné postupy v rámci oběhového hospodářství jsou slibné, ale čelí výzvám při konkurenci s tradiční výrobou založenou na fosilních palivech kvůli vyšším nákladům spojeným se zachycováním uhlíku.

Zemědělský sektor může také těžit z využití uhlíku prostřednictvím aplikace močovinových hnojiv a přímého použití. Oxid uhličitý může obohatit prostředí skleníků, což zlepšuje růst rostlin a zvyšuje výnosy. Navíc lze zachycený CO₂ použít k pěstování řas, které lze zpracovat na biopaliva, krmivo pro zvířata a potravinářské produkty.

Navzdory svému udržitelnému potenciálu čelí přijetí technologie CCUS značným překážkám. Technologie zachycování oxidu uhličitého jsou obzvláště nákladné na implementaci. Zvýšení produkce za účelem snížení emisí skleníkových plynů bude vyžadovat významné investice do infrastruktury a rozvoje trhu. Vlády a nevládní organizace budou pravděpodobně muset poskytnout značnou část potřebného kapitálu.

Dále, zajištění celkové udržitelnosti zachycování a využívání oxidu uhličitého vyžaduje napájení těchto procesů energií z obnovitelných zdrojů. Použití fosilních paliv k napájení technologií CCUS by bylo kontraproduktivní a negovalo by environmentální přínosy.

Postupem času výzkum a vývoj pomohou optimalizovat procesy a zvýšit efektivitu, což sníží provozní náklady technologie CCUS. Ekonomická životaschopnost, nebo alespoň nízkonákladové zachycování uhlíku, je klíčová pro její široké přijetí v průmyslu, zejména když stále více společností a spotřebitelů po celém světě oceňuje udržitelnost.

Další výzkum v oblasti zachycování a využívání uhlíku může pomoci snížit emise skleníkových plynů a přeměnit škodlivý vedlejší produkt na cenný zdroj. Využití uhlíku poskytuje jeden z mnoha způsobů, jak snížit emise oxidu uhličitého v různých průmyslových odvětvích, což přispívá k udržitelnější budoucnosti.