Z vodní páry, oxidu uhličitého a koncentrovaného slunečního světla je možné vyrobit letecký benzín.
Velké letecké společnosti se veřejně hlásí k cíli učinit své odvětví do roku 2050 „bezuhlíkovým“. O reálnosti takového slibu je možné už dnes pochybovat, pokud lze ovšem usuzovat podle stávajícího vývoje událostí.
Od roku 1990 do roku 2019 se emise v letecké dopravě zvýšily o 146 procent. Není to přitom dáno jen tím, že by se začalo létat v bohatnoucích asijských zemí. V posledních pěti letech před pandemii zaznamenaly například čtyři největší americké letecké společnosti – American, Delta, Southwest a United – 15procentní nárůst spotřeby leteckého paliva.
Navzdory neustálému zlepšování účinnosti motorů se předpokládá, že spotřeba letecké dopravy bude nadále stoupat. A tak se hledají způsoby, jak problém vyřešit jinak než šetřením mílemi.
Jednou možností je „uhlíkově neutrální“ palivo. Právě takový úspěch oznámili v posledních dnech odborníci ze švýcarské technické univerzity ETH v Curychu. Ve vědeckém časopise Joule vyšla jejich práce, která je první demonstrací výrobní linky na „solární letecký benzín“.
V podstatě jde o výrobu syntetického paliva z vodní páry a oxidu uhličitého přímo ze vzduchu za využití solární energie. Vyrobené palivo je přímou náhradou paliv z fosilních zdrojů a lze jej používat se stávajícími infrastrukturami pro skladování a distribuci a s motory.
Vylepšení
Celý proces je přitom „upgrade“ postupů dlouho známých; nejde tedy o demonstraci zcela nové metody, ale vylepšení stávajících postupů do podoby bližší praktickému nasazení. Paliva získaná ze syntézního plynu (také synplynu či „syngasu„, jak někdy i v Česku uslyšíte) – meziproduktu, který je specifickou směsí oxidu uhelnatého a vodíku – jsou dlouhá desetiletí alternativou ke konvenčním palivům získaným z fosilních zdrojů. Ovšem zatím šlo až na výjimky o alternativu neekonomickou.
Synplyn se vyrábí Fischerovou-Tropschovou syntézou (FT), při níž se chemickými reakcemi mění oxid uhelnatý a vodní pára na uhlovodíky. Tým z ETH celý proces upravil a optimalizoval tak, aby bylo možné efektivněji využívat solární energie, konkrétně tepla vytvářeného v systému využívajícím koncentrované solární energie. Jde tedy o termochemickou metodou štěpení vody a oxidu uhličitého s redoxního cyklu využívajícího kovového oxidu. Důležitým úspěchem jejich práce je, že při štěpení na vodu a CO2 nevznikají žádné nežádoucí vedlejší produkty termochemických reakcí.
Tento proces demonstrovali v roce 2019 ve střešní solární rafinerii na ETH. Použili k tomu modulární solární systém o výkonu 5 kW, který po dva roky provozovali na střeše strojní laboratoře v centru Curychu ve zcela reálných podmínkách, tedy při velmi proměnlivém slunečním svitu (výsledky tehdy popsali v článku v časopise Nature).
Autoři také postavili solární věžovou elektrárnu v pilotním měřítku v energetickém institutu IMDEA ve Španělsku (podobná zařízení vyžadují jasnou oblohu, protože na rozdíl od fotovoltaiky nefungují, i když je jen lehce pod mrakem). Zařízení má asi 10krát větší kapacitu než první prototyp ve Švýcarsku, a má sloužit pro vývoj průmyslového zařízení tohoto typu. Palivová elektrárna spojuje tři subsystémy – solární elektrárny, která dokáže koncentrovat solární záření, solární reaktor a jednotku pro přeměnu plynu na kapalinu.
Nejprve heliostatové pole tvořené zrcadly, která se otáčejí podle Slunce, soustřeďuje sluneční záření do reaktoru umístěného na vrcholu věže. Reaktor tvoří dutiny vyložená porézními keramickými strukturami z oxidu ceřititého (CeO2). V se vytváří teplota až 1 500 °C, což stačí, aby se zachycený oxid uhličitý a voda z atmosféry rozštěpily a vznikl synplyn. Ten na pak zkapalňuje.
Palivo vyrobené touto metodou má uzavřený uhlíkový cyklus. Při jeho palování vzniká pouze tolik oxidu uhličitého, kolik bylo použito při jeho výrobě. „Současné pilotní zařízení na výrobu paliva je stále ještě demonstračním zařízením pro výzkumné účely,“ uvedl pro novináře Aldo Steinfeld z ETH, který celou studii vedl.
Solární reaktor podle autorů vytvářel palivo s vlastnostmi, které splňují běžné nároky leteckých společností. Autoři rovněž tvrdí, že použité materiály měly poměrně v provozu dobrou stabilitu, a proces se tedy mohl vícekrát opakovat. Účinnost celého procesu je zatím ovšem zcela neuspokojivá: údajně se pohybovala ve větších zkouškách kolem 4,1 % procenta. To je mladé oboru údajně rekord, ovšem v praktickém nasazení by to bylo nepochybně příliš málo. Aby se mohla technologie stát ekonomicky konkurenceschopná (i při započtení uhlíkových daní), musela by se účinnost výrazně zvýšit.
Ale jednotka byla skutečně stále jen experimentální, takže je stále co zlepšovat. Systém nebyl vybaven například rekuperací použitého tepla. Ztráty tepla byly tedy značné, a podle prvního odhadu autorů by se daly snížit nejméně o 50 procent. Termodynamické analýzy podle nich ukazují, že s dobrým záchytem a využíváním odcházejícího tepla může účinnost celého procesu několikanásobně stoupnout.
Tým z ETH údajně vidí možnost, že by se účinnost celého procesu mohla zvýšit na hodnoty přes 20 procent. K tomu by bylo ovšem zapotřebí další práce na optimalizaci keramických struktur v reaktoru. Autoři na tom již pracují a hledají 3D tištěné struktury pro lepší objemovou absorpci záření. Pomoci by mohlo využití i jiných materiálů – ostatně jde o jedno z prvních zařízení takového typu, nepochybně na něm bude co zlepšovat.
Jak to dostat na trh
Autoři počítají s tím, že jejich palivo by bylo nějak cenově zvýhodněno. Steinfeld si například představuje systém založený na povinných kvótách: „Letecké společnosti a letiště by musely mít minimální podíl udržitelných leteckých paliv na celkovém objemu leteckého paliva, které tankují do svých letadel,“ říká.
Nic totiž nebrání tomu míchat „solární letecký benzín“ s běžným. Pro rozjezd oboru by stačil malý podíl, pouhé 1 nebo 2 procenta, což by zpočátku zvýšilo celkové náklady na palivo, avšak minimálně – „pouze o několik eur k ceně typického letu“, tvrdí na základě svých odhadů Steinfeld.
Rostoucí kvóty by mezitím vedly k investicím a poklesu nákladů, což by postupně vedlo k nahrazení fosilního benzínu solárním ve stále větší míře. „V době, kdy solární palivo pro tryskové motory dosáhne 10 až 15 % celkového objemu leteckého paliva, by se náklady na solární letecký benzín měly přiblížit nákladům na palivo z fosilních paliv,“ uvedl pro novináře.
Dodejme, že to je ovšem běh na dlouhou trať, znamená to vybudování ohromného množství úplně nových výrobních kapacit. Koncentrovaná solární energie je totiž zatím i na poměry obnovitelných zdrojů velmi malý obor. Celkový výkon těchto zdrojů je zhruba 6,8 gigawattu (GW). Fotovoltaických panelů se přitom vyrobilo pouze za minulý rok s maximálním výkonem téměř 250 GW.
Komerční odnož Steinfeldovy laboratoře, společnost Synhelion, pracuje na uvedení prvního skladu solárního paliva v průmyslovém měřítku do provozu v roce 2023. Spolupracuje také s leteckou společností SWISS na uskutečnění letu výhradně na solární letecký benzín. Těžko ovšem věřit, že by v dohledné době mohly takové lety konkurovat tím v oboru zatím nejdůležitějším: cenou.
Jak na zelené teplo
Uhlíkově neutrální výroba leteckého paliva je jeden z mnoha problémů, se kterými se v případě přechodu k nízkouhlíkové energetice budeme muset vyrovnat. Vydělat na řešení tohoto problému chce například firma Heliogen, do které investoval mimo jiných i Bill Gates.
Společnost Heliogen vznikla v roce 2013, a až do roku 2019 byla prakticky „neviditelná“ (tehdy o sobě dala vědět první tiskovou zprávou). V těchto letech do ní ovšem peníze vložila řada fondů či bohatých jednotlivců spojených se Silicon Valley, včetně Billa Gatese. Mezi investory se ale také později zařadila i společnost ArcelorMittal, přední světová ocelářská a těžební firma.
eliogen chce uvést do praxe první dostupný systém na výrobu tepla ze slunečního světla pro výrobu elektřiny. Má být levnou variantou například nejen pro produkci tepla, ale také výrobu elektřiny, či vodíku.
Věnuje se přitom oboru, který není podstatou nijak nový: vývoji solárně-termálních elektráren. To jsou zařízení, ve kterých zrcadla soustředí odrážené světlo do jediného místa, z praktických důvodů na vyvýšeném místě, charakteristické věži uprostřed elektrárny. Vznikající teplo pak slouží k vytváření páry pohánějící turbínu. Heliogen se od jiných systémů liší ovšem v jednom důležitém ohledu, totiž dosažené teplotě. V roce 2019 společnost uváděla, že na „terči“, kde se soustředí paprsky odrážené zrcadly, tepolta těsně přesahovala 1 000 °C. Od té doby se mluví až o 1 500°C.
Při takových teplotách by se podle firmy dá uvažovat o efektivní a levné výrobě syntetických paliv. Myslíme konkrétně rozklad vody pro výrobu vodíku. V souvislosti s Heliogenem mluví nejčastěji o produkci tzv. syntézního plynu, tedy směsi vodíku a oxidu uhelnatého (CO), která může také posloužit jako náhrada řady fosilních paliv. Výchozími surovinami by byl oxid uhličitý a voda.
Jinak řečeno, postup by pak mohl sloužit k ukládání energie z obnovitelného zdroje do dobře skladovatelné podoby klasického paliva pro pohon motorů či turbín. Ovšem podobně jako v případě technologie výroby paliv z CO2 zachyceného ze vzduchu, o kterém jsme psali před časem, podobná technologie by v blízké budoucnosti mohla dávat finanční smysl pouze za specifických okolností, kdy běžná paliva budou znevýhodněna například zatížena uhlíkovou daní.
Zvyšování teploty přitom má podle Heliogenu rozšířit možnosti využití solární energie k jiným účelům než výrobě energie. Zpráva konkrétně zmiňuje výrobu stavebních materiálů, v tisku se často objevovaly zmínky o možném využití při výrobě oceli. Má to ovšem svá omezení.
Z pohledu některých zmiňovaných aplikací (výrobu oceli či stavebních materiálů) je nevýhodou omezená pracovní doba zdroje. Tavicí pec či výrobu stavebních materiálů, která bude fungovat pouze část dne není z dnešního pohledu příliš praktická. Samozřejmě, teplo lze do jisté míry akumulovat či doplňovat z jiných zdrojů, ale to vše zdroj samozřejmě prodražuje.
Solárně-termální elektrárna pracuje jen na přímém slunci, a prakticky tedy jen na suchých a slunných místech (například ve Španělsku ano, u nás prakticky vůbec). Ostatně své o tom ví i zakladatel Heliogenu, již zmínný Bill Gross. V roce 2007 založil Gross společnost eSolar, která fungovala do roku 2016, a také se pokusila o rozvoj solární elektrárny soustřeďující světlo z mnoha zrcadel do jednoho bodu. Základní nápad byl také stejný: vzít poměrně levná zrcadla, ale vybavit je velmi dobrým řídícím systémem.
Jak se ovšem ukázalo, v praxi bylo zařízení ekonomicky neudržitelné. Podle údajů, které provozovatel nakonec po naléhání některých zájemců a aktivistů zveřejnil, pracovala elektrárna minimálně v prvních letech provozu zhruba čtyři až pět dní v měsíci, a to pouze během poledních hodin. Proč ne každý den, když oblast je velmi slunná a jasno je většinu roku? Dalo by se spekulovat, že provoz se vyplatil ve dnech, kdy byla cena elektřiny na trzích zvýšená.
Mezi červencem 2009 a 2010 vyrobila cca 552 megawatthodin (MWh), odhady před zahájením provozu, na jejichž základě se dělala i ekonomická analýza, uváděly odhad výroby zhruba 4 300 MWh. A nebyly to vlivem „dětských nemocí“ – během následujících dvanácti měsíců byla výroba prakticky totožná, cca 539 MWh. V roce 2015 tak byl provoz ukončen a elektrárna postupně rozebrána. Věže zmizely v roce 2018.
