Další cesta k čisté energii?

Není sporu o tom, že spalování fosilních paliv představuje pro zemské klima problém. Jaké jsou ale alternativy? Jaderná energie je drahá, obnovitelné zdroje nespolehlivé, vývoj vhodných baterií vzdálený. Proto se svět bude muset ještě nějakou dobu spoléhat na fosilní paliva. Je však možné využívat fosilní paliva takovým způsobem, aby nevypouštěla CO₂ a neoteplovala planetu? Alberto Abánades z Technical University of Madrid a jeho výzkumný tým věří, že znají kladnou odpověď.

Je jasné, proč jsou fosilní paliva tak oblíbená. Jsou laciná a dostupná ve velkém množství. Jsou rovněž spolehlivá: uhlí nebo plyn lze snadno dopravit do elektráren a vyrábět elektřinu, i když je obloha zatažená nebo nefouká vítr. Lze je také snadno přemístit: stačí nalít do nádrže automobilu benzín a odjet. Po jistou dobu však už existují snahy se fosilních paliv zbavit.

Sázka na vodík

Během ropné krize v 70. letech 20. století se například živě diskutovalo o využívání vodíku - netoxického plynu, jehož hořením vzniká jen vodní pára, která se neškodně vrací na Zemi ve formě deště. Vodík má vysokou energetickou hustotu: na jednu nádrž je možné ujet až 600 km. Vodík můžete spalovat v elektrárnách, a pokud bude zavedena uhlíková daň, mohl by ekonomicky konkurovat i fosilním palivům. Podobně jako benzín je vodík hořlavý a hoří nesvítivým, téměř neviditelným plamenem. V přírodě se však nevyskytuje v čisté formě, jen ve sloučeninách, jako je například voda nebo metan.

Čistý vodík se dá získávat z vody štěpením jejích molekul elektrolýzou, je to ale energeticky velmi náročné. Lze ho získávat i zahříváním uhlí nebo zemního plynu za přítomnosti páry, jenže přitom vzniká velké množství oxidu uhličitého.

Krakování metanu

Podle Abánadese o daném tématu nepřemýšlíme správným způsobem. Zemní plyn je v podstatě metan CH₄, jeho molekula se skládá z jednoho atomu uhlíku a čtyř atomů vodíku. Místo toho, aby se vodík vyráběl pomocí reakce zemního plynu s párou, doporučuje Abánades na první pohled jednoduchý postup – rozbít metan na jeho složky, tj. na čistý vodík a inertní amorfní uhlík, tj. saze. Ovšem pokud by to bylo tak jednoduché, jistě by se to již v minulosti uskutečnilo. Rozbití vazby uhlík-vodík vyžaduje rovněž mnoho energie. Uvedená reakce je v podstatě krakování. Začíná spontánně při teplotě nad 550 °C, normálně je ale třeba teploty vyšší než 800 °C. Velký problém dělají saze, které zmařily první pokusy o ekonomické krakování metanu v průmyslovém měřítku. Saze pokrývaly niklo-železo-kobaltový katalyzátor, který používala petrolejářská společnost Universal Oil Products k urychlení reakce při nižších teplotách. Protože saze vše ucpávaly, bylo nutné celý proces zastavit a hledat způsob, jak se uhlíku zbavit. Abánades pracoval dvacet let na různých typech získávání energie, včetně energie jaderné a sluneční. V roce 2008 ho vedoucí skupiny, profesor Carlo Rubbia, pověřil studiem krakování metanu. Abánades se zmínil, že ho profesor vždy nabádal, aby nedělal totéž, co všichni ostatní.

Bublinková lázeň

Při studiu pramenů tým brzy našel něco, co dříve nikdo nedělal. V roce 1999 navrhoval chemický inženýr Meyer Steinberg z Brookhaven National Laboratory v New Yorku krakování metanu v horké lázni roztaveného kovu. Myšlenka spočívala v tom, že tekutý kov zlepší přenos tepla a umožní, aby saze plavaly na povrchu, čímž se zamezí ucpávání. V té době pracovali Abánades a Rubbia v německém Institute for Advanced Sustainability Studies, Potsdam. Na druhé straně Německa, v Karlsruhe Institute of Technology, byla v provozu nejlepší evropská laboratoř, která se zabývala tekutými kovy. Obě výzkumné skupiny spolupracovaly v rámci třicetiměsíčního projektu až do roku 2012 s cílem zjistit, zda lze vyřešit krakování metanu. Po dvou letech pokusů a omylů se podařilo vytvořit zařízení, o němž se domnívali, že bude životaschopné: jednalo se o nádobu z křemenného skla a nerezové oceli, která měla průměr a délku hokejky a byla zaplněna roztaveným cínem. Díky vnější alobalové izolaci zařízení vypadalo jako domácí nádrž na horkou vodu, ale fungovalo. Metan se přiváděl zespoda a teplota cínu se zvyšovala až na 1 000 °C. Čistý vodík unikal z horní části. Po dvou týdnech bylo zařízení z provozu odstaveno. Saze se skutečně hromadily na povrchu tekutého cínu, odkud se odstraňovaly, podobně jako struska v rafinérii rud. V roce 2015 vědci opakovali pokus při teplotě 1 200 °C. Podařilo se jim přeměnit téměř 80 % metanu na vodík. Závěrem konstatovali, že lze vodík kontinuálně získávat z metanu, aniž by vznikaly emise CO₂, a že tato technologie stojí za to, aby se jí vědci i nadále zabývali.

Hledání zdroje tepla

Zdrojem tepla byla elektřina ze zásuvky, neboť energie z obnovitelných zdrojů by nebyla vhodná pro nespolehlivost a riziko, že by při přerušení dodávky elektřiny mohl cín ztuhnout a zařízení by se tak zničilo. Uvažuje se, že by možným budoucím zdrojem energie mohlo být asi 15 % samotného vodíku. V tomto případě se eliminovalo asi tolik CO₂, jako při výrobě vodíku elektrolýzou vody za použití větrné energie. Postup by ale byl v souvislosti s dalším rozšiřováním produkce levnější, spolehlivější a vhodnější.

Problém jménem saze

Stále však zůstává problém sazí. Rozšířit výrobu vodíku krakováním metanu při objemech výroby v rozsahu terawattů pro potřeby globálního vodíkového hospodářství by znamenalo zvětšit produkci sazí o několik km³ ročně. To by sice bylo mnohem méně problematické, než v případě emisí CO₂ ze spalování fosilních paliv, přesto nelze takové množství sazí „zamést pod koberec“. Abánades je však přesvědčen, že tak velké objemy laciného čistého uhlíku najdou uplatnění například v nanotechnologiích, ve výrobě oceli a jako náplně do pneumatik. Předpokládá to ale zvýšit jeho kvalitu.

Má vodík budoucnost?

Zůstává otázkou, zda vodíkové hospodářství směřuje opravdu plnou parou vpřed. Chemici se například zabývají tím, zda lze vodík přeměnit na palivo, s nímž by bylo možné snáze manipulovat. V úvahu připadá i metanol. V souvislosti s levnější technologií výroby vodíku a omezenými možnostmi využití baterií se automobilky Toyota, Hyundai a Honda pustily do výroby automobilů poháněných vodíkovými palivovými články. V roce 2015 zahájila EU projekt Hydrogen Mobility Europe s cílem vybudovat síť vodíkových stanic po celé Evropě. Britská vláda poskytuje dotace na provozování automobilů na vodíkový pohon. Ukazuje se, že oba typy automobilů se budou vzájemně doplňovat. Elektromobily jsou vhodné na kratší vzdálenosti a jízdu uvnitř měst, zatímco automobily na vodíkový pohon zase pro dálkovou dopravu.

Z vodíku alkohol

Stlačit plynný vodík do palivové nádrže je velmi obtížné. Problém ale odpadne, jestliže z vodíku nejdříve vyrobíme kapalný alkohol, například metanol. Kromě toho, že metanol lze dobře skladovat, lze ho navíc využít i v běžných motorech s vnitřním spalováním; v nich se může dokonce i lépe uplatnit než benzín. Oproti metanu CH₄ obsahuje metanol CH₃-OH navíc jeden atom kyslíku. Je obtížné ho vyrábět ze zemního plynu přímo, ale dá se vyrábět slučováním vodíku s oxidem uhličitým. Spalováním metanu i metanolu v motoru vzniká CO₂. Pokud se však metanol bude vyrábět z atmosférického CO₂, bude celkový proces uhlíkově neutrální. Existují ale i jiné možnosti. V roce 2014 oznámili vědci ze Swiss Federal Institute of Technology, Laussane, že vyvinuli proces pro výrobu kyseliny mravenčí z vodíku. Ta může být využita v palivových článcích automobilů na vodíkový pohon. Tento proces je reversibilní, takže kyselina mravenčí může být alternativní metodou k odstranění vodíku, kdyby nebylo jeho skladování praktické.

Ne všichni jsou pro výrobu vodíku ze zemního plynu, protože tato technologie svět zavazuje k budování infrastruktury pro další využívání fosilních paliv. A to je v rozporu s úsilím o další rozvoj obnovitelných zdrojů energie. Navíc při přepravě zemního plynu může metan unikat, což je potenciálně ještě nebezpečnější než CO₂. Abánades souhlasí, že hlavním faktorem pro rozhodování, kterou technologii využít, bude dopad na klima.

Podle: Jon Cartwright: Going clean. New Scientist, 2016, č. 3094, s. 28-31.