Během minulého týdne jste možná četli o „syntetických palivech“, která by mohla být vytvořena z oxidu uhličitého a použita k tomu, aby stávající benzínové a naftové motory byly uhlíkově neutrální.
Na první pohled, nápad to není šílený. Koneckonců, paliva získaná z ropy, která jsme všichni zvyklí nalévat do našich nádrží, jsou prostě uhlovodíky; kombinace vodíku a uhlíku. A ano, lze je znovu vytvořit – za předpokladu, že k těmto surovinám máte přístup. Ale i když nápad zní krásně jednoduše, ve skutečnosti je plný potíží.
Myšlenka syntetického paliva existuje již léta. Vzniká (i když ne uhlíkově neutrálním způsobem) od počátku 20. století a uhlíkově neutrální verze – kde se uhlík získává z oxidu uhličitého, který se obvykle získává z výfukových plynů uhelných elektráren – se byl zkoumán po desetiletí.
Tak proč je to teď ve zprávách?
Nedávná vlna zpráv o této myšlence pochází z tiskové zprávy od strojírenských gigantů Bosch, kterou si mnoho zpráv zřejmě špatně vyložilo jako náznak toho, že Bosch vyvinul nové syntetické palivo nebo nový proces jeho výroby. Ve skutečnosti Bosch jednoduše provedl studii potenciálu ke snížení celkových emisí CO2 if takové palivo bylo použito.
Její studie odhaluje, že pokud by do roku 2050 evropský vozový park používal uhlíkově neutrální syntetická paliva „jako plánovaný doplněk k elektrifikaci“, ušetřilo by se až 2,800,000,000 XNUMX XNUMX XNUMX tun oxidu uhličitého, který by se jinak uvolnil do atmosféry. Dr. Volkmar Denner, předseda představenstva společnosti Robert Bosch, řekl: „Syntetická paliva mohou učinit automobily poháněné benzínem a naftou uhlíkově neutrálními, a tak významně přispět k omezení globálního oteplování.“
Pěkný nápad, ale realizovatelný?
Navrhované datum – 2050 – by mohlo zazvonit několik poplachových zvonů, v neposlední řadě proto, že Spojené království a Francie již řekly, že plánují zakázat prodej benzinových a naftových vozů deset let předtím, v roce 2040.
Bosch to samozřejmě ví a zpráva, na které se tvrzení o syntetických palivech zakládají, jasně ukazuje, že do roku 2050 firma očekává, že 250milionový evropský vozový park bude mít mnohem silnější elektrické předpětí než dnes. Odhaduje se, že 60 % budou „high-efficiency hybridy“, z nichž 55 milionů aut bude plně elektrických a dalších 36 milionů budou plug-in hybridy, které budou schopné jezdit v čistě elektrické formě, ale budou podporovány spalovacím motorem. rozšířit jejich rozsah. Jako takový očekává, že evropský vozový park bude v roce 2015 vypouštět o 70 % méně CO2 než dnes. Nahrazením fosilních paliv uhlíkově neutrálním syntetickým palivem by zbývajících 30 % mohlo být účinně neutralizováno, čímž by se emise uhlíku z automobilů do roku 2050 staly prakticky nulovými.
Skutečným klíčem zde však vůbec není automobilový trh. Jak bylo zdůrazněno, i bez použití syntetického paliva se předpokládá, že během příštích 2 let dojde k masivnímu snížení CO30.
Větší hnací silou vývoje syntetických paliv bude pravděpodobně komerční lodní doprava a letadla. Zatímco auta a kola na baterie jsou již realitou, elektrická letadla a nákladní lodě jsou ještě desítky let životaschopné a budou potřebovat obrovské technologické skoky, aby byly vůbec možné. Vzhledem k tomu, že lodě i letadla mají mnohem delší životnost než auta, je docela možné, že ty, které se právě staví, budou do roku 2050 stále používány, takže vývoj syntetických paliv pro ně bude mnohem naléhavější než pro automobily, nákladní automobily a motocykly.
Bosch jde o to, že pokud se palivo bude dále vyvíjet a bude ekonomicky životaschopné, mohlo by být použito pro silniční provoz téměř jako vedlejší efekt.
Pokud jde o skutečnou výrobu syntetických paliv v průmyslovém množství, zpráva společnosti Bosch ukazuje, že již existují zkušební provozy online a že průmyslové verze by měly být proveditelné během deseti let.
Překážky k překonání
I když existuje technologie na výrobu uhlíkově neutrálního syntetického paliva, není to snadné. Získání vodíku vyžaduje elektrolýzu k jeho extrakci z vody – proces, jehož dosažení vyžaduje spoustu elektřiny. Za předpokladu, že do roku 2050 dojde k obrovskému nárůstu výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů; solární, větrné, hydroelektrické, přílivové nebo vlny generované, například, pak to nemusí být problém, ale záleží na těchto procesech, které budou přijaty v masivním měřítku, aby se zajistilo, že elektřina potřebná pro elektrolýzu bude vytvořena v uhlíku – neutrálním způsobem.
Získání samotného uhlíku také není snadné, ale lze jej odstranit z oxidu uhličitého, který je vedlejším produktem průmyslových procesů, nebo dokonce odfiltrovat ze vzduchu.
V současnosti tyto problémy znamenají, že výroba syntetického paliva je neuvěřitelně drahá, ale Bosch předpokládá, že ceny by mohly být sníženy na pouhých 1 až 1.30 EUR za litr (92p až 1.19 GBP), případně před připočtením daní. To je stále asi trojnásobek ceny benzínu, což je asi 35 pencí za litr (0.38 EUR), než vláda odebere libru masa. Nicméně za předpokladu, že většina vozidel bude v době uvedení do provozu elektrických nebo účinných hybridních vozidel, je to cena, která může být docela dobře přijatelná – zejména proto, že jako ekologické palivo neutrální z hlediska uhlíku bude méně omluv pro trestání. zdanění.
Ale na druhou stranu…
Přestože se mnoho problémů s elektrickými vozidly – zejména nízká hustota výkonu baterií a jejich pomalé nabíjení – zlepšuje, stále v mnoha ohledech nedokážou udržet svíčku za benzínem.
Způsob, jakým lze kapalná paliva snadno přepravovat, skladovat a doplňovat, je těžko překonatelný a stávající síť čerpacích stanic a distribuce by se syntetickými látkami dokonale fungovala. A samotné množství energie, které obsahuje malá, lehká palivová nádrž, je daleko za vším, o čem si baterie v současnosti může nechat zdát.
Tyto výhody, spolu se skutečností, že syntetická paliva jsou zcela kompatibilní se stávající technologií motorů (menší problém u často aktualizovaných automobilů a motocyklů, spíše u vozidel s dlouhou životností, jako jsou letadla a lodě), by mohly pomoci technologii podpořit .
Z pohledu motorkáře s vášní pro benzinové motory musí být bonusem cokoli, co znamená, že přežije i poté, co se auta na baterie stanou dominantním druhem. Pokud syntetické palivo může, jak se zdá, umožnit používat „klasické“ benzínové motory, aniž by vytvářelo znečištění CO2 (syntetika slibuje, že bude spalovat čistěji, pokud jde o další emise), pak bychom měli být schopni pokračovat ve svém vášeň, bez viny, na desítky let dopředu.
Někdy v budoucnu přestaneme spalovat fosilní paliva. Bude to buď proto, že těžba je příliš drahá, nebo jsou náklady na životní prostředí příliš vysoké.
To pak vyvolává otázku, co nastoupí na jejich místo. Jako prostředek k ukládání energie mají fosilní paliva oproti svým hlavním konkurentům několik klíčových výhod. Nejdůležitější z těchto výhod jsou:
- Hustota energie — jak z hlediska hmotnosti, tak objemu;
- Stávající infrastruktura.
Opravdu existují některé aplikace, např. let, pro který je těžké si představit jakýkoli alternativní zdroj energie.
Zelená syntetická alternativa?
Vzhledem k výhodám kapalných paliv na bázi uhlíku může mít smysl vyrábět je synteticky, spíše než nahrazovat podřadný zdroj energie. Zda tak učiníme, nebo ne, bude záviset na kompromisu mezi cenou a pohodlím, např. Auta poháněná bateriemi mohou být levnější na „tankování“, ale je nepravděpodobné, že by byly tak levné na stavbu nebo jejich dojezd jako na benzín.
Kroky při vytváření zelených syntetických paliv lze rozdělit následovně:
- Elektrolýza vody za vzniku vodíku;
- Zachycování oxidu uhličitého z atmosféry;
- Redukce oxidu uhličitého na oxid uhelnatý;
- Přeměna oxidu uhelnatého a vodíku na kapalná paliva (Fischer-Tropschův proces).
Žádný z výše uvedených procesů není nový. Elektrolýza vody pochází z roku 1800 a Fischer-Tropschův proces byl široce používán v Německu během druhé světové války. [1,2] Některé společnosti již vyrábějí paliva pomocí kroků 1 – 4, i když ve velmi malém měřítku, pouhých 5 litrů za období tří měsíců. [3]
Pokud energie použitá k řízení výše uvedených reakcí pochází z obnovitelného zdroje, pak jsou paliva vytvořená touto metodou zcela neutrální z hlediska uhlíku – množství CO2 uvolněný při spalování se rovná množství zachycenému při výrobě.
Je také možné vytvořit syntetická paliva pouze za použití kroku 4, ale s uhlovodíky (např. zemní plyn, uhlí atd.) jako surovinou. To se obecně provádí, když se cena za joul jedné formy fosilního paliva velmi liší od nákladů na joul jiné formy. Moderním příkladem je Katar. Katar má asi 12 % prokázaných světových zásob plynu, ale není snadný způsob, jak jej přepravit na zámořské trhy. [4] V důsledku toho Shell investoval přibližně 19 miliard dolarů do závodu na zkapalňování plynu, který bude ziskový, dokud ropa zůstane nad 70 dolary za barel. [5] Bohužel tato přeměna uhlovodíků je velmi nepříznivá pro životní prostředí, protože nedochází k zachycování uhlíku a CO2 se uvolňuje během fáze konverze.
Vzhledem k zjevným ekologickým výhodám používání obnovitelné elektřiny k výrobě všech našich kapalných paliv synteticky z vody a vzduchu – proč to neděláme ve větší míře?
Náklady
Odpověď je jako vždy cena. Mnoho kroků spojených s výrobou zelených syntetických paliv je velmi nákladných jak z hlediska infrastruktury, tak i energetických požadavků. Pro srovnání, těžba uhlovodíků ze země nebo jejich přeměna z jedné formy na druhou je velmi levná.
Z dlouhodobého hlediska cena fosilních paliv pravděpodobně poroste a cena obnovitelné energie bude klesat. Časem tedy může nastat bod, kdy bude ziskové jednoduše vyrábět náš vlastní benzin, spíše než jej těžit ze země.
Jaký však tento bod pravděpodobně bude? Zajímá nás dlouhodobá efektivita jakéhokoli procesu přeměny, takže pouhé použití současných nákladů pravděpodobně poskytne velmi zavádějící výsledek.
Jeden z potenciálních poznatků pochází z rostlin; přeměňují vodu a oxid uhličitý na biomasu po miliony let a chemická struktura biomasy velmi úzce souvisí se strukturou uhlovodíků.
Referát od Zhu et al. odhaduje maximální účinnost přeměny sluneční energie na biomasu na přibližně 4–6 %. [5] Pokud se však jednoduše zaměříme na přeměnu fotochemické energie na sacharidy, pak se účinnost zvýší na přibližně 16 % (6/[6+29+2]).
Tento poslední krok by se dal považovat za účinnost přeměny elektřiny na zelená syntetická paliva a poskytl by poměr nákladů 1:6, tj. pokud 1J elektřiny stojí 1 dolar, pak 1J zeleného syntetického paliva bude stát 6 USD. To je srovnatelné se současným poměrem nákladů na joul 1:1. (Za předpokladu velkoobchodní ceny elektřiny 0.05 $ kwh -1 a 6 gigajoulů energie na 80 $ barel ropy.) Šestinásobný nárůst ceny benzínu ve srovnání s elektřinou by pravděpodobně postačoval k přeměně téměř každého na elektrická auta Ã¢ï¿ ½ï¿½ zejména v případě, že náklady na elektřinu samotnou vzrostly ze současné úrovně.
Výše uvedená analýza je zjevně velmi zjednodušená. I když existuje implicitní přirážka na náklady na infrastrukturu (rostlina potřebuje přežít a zároveň jen vytvářet biomasu), ignorovali jsme jakákoli potenciální vylepšení biologické metody syntézy sacharidů. Výchozím bodem pro tuto práci však bylo maximum biologický konverzní faktor a dokonce i zdvojnásobení účinnosti by stále znamenalo ztrojnásobení ceny ropy v poměru k ceně elektřiny.
Proč investovat do čističky vzduchu?
Kapalná paliva zaujímají ústřední roli ve světovém dopravním systému a pro některé aplikace jsou nenahraditelná. S rostoucími cenami ropy se syntetická paliva pravděpodobně stanou běžnějšími. Bohužel bez jakýchkoli právních předpisů v oblasti životního prostředí jsou tato syntetická paliva pravděpodobně odvozena z alternativních zásob uhlovodíků, jako je plyn nebo uhlí. Z dlouhodobého hlediska se pravděpodobně pokusíme vyhnout používání kapalných paliv pro všechny kromě nejkritičtějších aplikací.
© Adam Jorna. Autor uděluje povolení kopírovat, distribuovat a zobrazovat toto dílo v nezměněné podobě, s uvedením autora, pouze pro nekomerční účely. Všechna ostatní práva, včetně obchodních, jsou vyhrazena autorovi.
Reference
[1] S. Trasatti, «1799-1999: ‚Elektrická hromada‘ Alessandra Volty – dvě stě let, ale nezdá se to,“ J. Electroanal. Chem. 460, 1 (1999).
[2] A. Andrews a J. Logan, „Fischer-Tropsch Fuels from Coal, Natural Gas, and Biomass: Background and Policy“, Congressional Research Service, RL34133, březen 2008.
