obr1Počas roku 2021 vznikla na pôde spoločnosti Centrum výskumu a vývoja, s. r. o., populárno-náučná publikácia VODÍK. Vznikla na základe podnetu spoločnosti ENVIRAL, a. s., s cieľom identifikovať príležitosti na rozvoj využívania vodíka v podmienkach Slovenskej republiky v synergii s podnikateľskými cieľmi spoločnosti.

Jedným zo záverov publikácie bolo, že najefektívnejšie využitie zeleného vodíka so zreteľom na úsporu GHG emisií, nákladov národného hospodárstva aj časového hľadiska, je použitie existujúcej infraštruktúry pracujúcej s vodíkom. Náhradou fosílne vyrábaného vodíka zeleným vodíkom dôjde k zníženiu GHG emisií – zmení sa jeho primárny zdroj. Práca je založená na predpoklade, že vyrábaný a aplikovaný vodík spĺňa kritéria obnoviteľnosti a s takto vyrobeným vodíkom treba čo najefektívnejšie nakladať. Zaoberá sa najmä využitím vodíka na výrobu syntetických palív a chemikálií. Práca úzko súvisí s aktivitami skupiny Envien Group, v ktorých aktuálne podniká, alebo ktoré prichádzajú do úvahy z dôvodu synergie s už existujúcimi aktivitami.

obr2

Uhlíkové palivá: e-fuels

Úvaha o uhlíkových palivách na báze obnoviteľného vodíka dáva zmysel za predpokladu, že zvýšené náklady na takto vyrobené palivo budú kompenzované zameniteľnosťou s existujúcimi fosílnymi palivami, s čím súvisí možnosť využívania existujúcej infraštruktúry. Úplná alebo čiastočná kompatibilita syntetických palív umožňuje náhradu fosílneho paliva v konvenčných spaľovacích motoroch. Emisná úspora sa pritom rovná rozdielu emisií dodanej energie z e-fuel a emisiami, ktoré by vznikli pri dodaní rovnakého množstva energie fosílnym palivom.
Zásadnou výhodou e-fuels je možnosť ich okamžitého nasadenia pri použití existujúcej logistickej infraštruktúry a tepelných strojov (motorov), ktoré ich môžu v rôznych pomeroch využívať. Zmysluplnosť tejto vlastnosti stúpa úmerne s dĺžkou životného cyklu tepelného stroja (motora), ktorý palivo využíva. Aj preto bude pravdepodobne najefektívnejšou možnosťou využitie e-fuels ako leteckého a lodného paliva, a tiež ako paliva pre nákladne vozidlá poháňané naftou z dôvodu rozšírenej infraštruktúry. Výroba e-fuels pre osobné vozidlá je najmä pre malú účinnosť konverzie elektrickej energie zatiaľ neefektívna a obmedzená množstvom dostupnej obnoviteľnej elektrickej energie.
Náklady na výrobu e-fuels sú v porovnaní s fosílnymi palivami vyššie. Zvýšené náklady na výrobu a používanie týchto obnoviteľných palív možno kompenzovať viacerými nástrojmi. V prvom rade sú to nástroje, ktoré zavádza EÚ v podobe legislatívy, ktorá môže byť mierne odlišná na národnej úrovni. Dôležité sú aj záväzky spoločností, ktoré sa rozhodnú realizovať „zelenú“ politiku, a tým získavať ekologicky zmýšľajúcich zákazníkov, ktorí sú ochotní podporiť takúto zelenú politiku aj za cenu vyšších nákladov na produkty a služby.

E-Metán

Najjednoduchší uhľovodík CH4 možno ako e-fuel získať dvomi cestami, a to katalytickou chemickou metanáciou (Sabatierova reakcia) alebo biologickou metanáciou. Bez ohľadu na parametre samotného procesu je na získanie metánu nutný vodík – pričom ten by mal byť obnoviteľný, aby bola opodstatnená náhrada takto vyrobeného metánu za metán fosílny. Technická realizovateľnosť oboch postupov bola preukázaná a jej priemyselné nasadenie je v tejto chvíli v prípade katalytickej metanácie limitované ekonomickou návratnosťou inštalácie. V prípade biologickej metanácie sa predpokladá dostupnosť komerčnej jednotky do konca roka 2022. [7] Takto získaný metán možno vstrekovať do existujúcej plynovej infraštruktúry, prípadne ho použiť v doprave v podobe stlačeného alebo skvapalneného plynu.
Tento koncept je zaujímavý aj pre Slovensko najmä pre relatívne veľký počet malých bioplynových staníc (viac ako 100 staníc s výrobou na úrovni 1 MW), ktoré by mohli využívať obnoviteľný vodík na zvýšenie výťažnosti bioplynu, čím by sa im otvorila perspektíva efektívnejšieho využitia biomasy a zároveň výroby plynu s negatívnou emisnou stopou – a tiež lepšou cenou. Takúto technológiu ponúka spoločnosť Electrochea. Materiálovo – energetická bilancia technológie pre malú inštaláciu použiteľnú napríklad aj pre slovenské bioplynové stanice je znázornená na obr. 1.

Obr 1 Materiálovo energetická bilancia technológie spoločnosti Electrochea založená na biologickej metanácii so vstupným produktom bioplynom
Obr. 1: Materiálovo-energetická bilancia technológie spoločnosti Electrochea založená na biologickej metanácii, so vstupným produktom bioplynom [13]

SAF (Sustainable Aviation Fuel – udržateľné letecké palivo)

Spoločnosť Air France prezentovala na konferencii Future of Biofuels 2021 v Kodani výsledky prieskumu, kde na hypotetickú otázku: „Predstavte si, že by ste chceli zaplatiť 10 % viac za letenku – kde by sa mali tieto prostriedky odzrkadliť?“ Takmer 70 % respondentov uviedlo, že by to malo byť udržateľné palivo – a to na úkor možnosti zvýšenia pohodlia cestovania. Vnímanie klimatických zmien sa pravdepodobne odzrkadlí aj v preferenciách zákazníkov.
Letecký sektor predstavuje najnáročnejší spôsob dopravy z hľadiska emisií a udržateľnosti. V roku 2019 civilné letectvo predstavovalo približne 3 % globálnych GHG emisií (s ohľadom na celosvetovú pandémiu Covid aktuálne dáta za roky 2020 a 2021 nepovažujeme za relevantné). Zatiaľ čo iné dopravné odvetvia sú schopné znížiť svoje emisie, v leteckej doprave sa očakáva nárast antropogénnych GHG emisií. Letecký sektor predstavil ambiciózne dlhodobé ciele zníženia emisií na polovicu úrovne z roku 2005 do roka 2050. Aj keď sa efektivita využívania paliva naďalej zlepšuje tempom približne jedno percento ročne, samotné zlepšovanie prevádzky lietadiel na dosiahnutie týchto cieľov nebude stačiť. Aby letecká doprava splnila svoje ciele znižovania emisií, bude musieť prijať revolučnejšie opatrenia, pričom udržateľné letecké palivá (SAF) budú zohrávať hlavnú úlohu v znižovaní emisií v leteckom sektore a ich spotreba bude v budúcnosti stúpať. [1]
Proces výroby SAF vyžaduje vstupné suroviny, ktoré môžu byť štyroch typov: rastlinné oleje a živočíšne tuky, jednoduché cukry, škrob a lignocelulóza a v prípade e-kerozínu ešte odpadový CO2. Tieto primárne zložky (prevažne rastlinnej biomasy) prechádzajú procesom predúpravy s cieľom dosiahnuť požadovanú kvalitu na vstupe do procesu konverzie na SAF. [2] K dnešnému dňu neexistuje proces výroby SAF, ktorý by produkoval identický rad látok konvenčného leteckého paliva, ako sú napríklad aromatické látky. Preto, aby sa zabezpečila kompatibilita paliva s leteckým motorom a palivovou infraštruktúrou, je zmiešavací pomer SAF s konvenčnými palivom obmedzený (v závislosti od normy, ktorou sa riadia jednotliví prepravcovia) max. na 50 %. [3]
V súčasnosti je komercializácia SAF pomalá a politická podpora prednostne stimuluje výrobu iných palív, ako je obnoviteľná nafta (HVO), z už aj tak obmedzených dostupných objemov oleochemických surovín. Hoci existujú aj ďalšie nízkouhlíkové alternatívy založené na elektrickom, hybridnom alebo vodíkovom pohone, je pravdepodobné, že v krátkodobom až strednodobom horizonte bude ako palivo pre biotryskové motory prevládať práve SAF. Spomenuté alternatívy zahŕňajú problémy, ako napríklad obmedzený dolet a počet prepravovaných cestujúcich v prípade elektrických lietadiel alebo potrebu nových dodávateľských reťazcov a pohonných technológií v prípade lietadiel využívajúcich vodík, preto komerčné zavedenie týchto alternatív, najmä pre lety na dlhé vzdialenosti, bude vyžadovať dlhší čas v porovnaní s aplikovateľnosťou SAF. [4]

obr3

HVO

HVO (Hydrogenated vegetable oil) je druh obnoviteľnej nafty, ktorá má podobné chemické vlastnosti ako fosílna nafta. Vyrába sa hydrogenáciou a hydrokrakovaním rôznych druhov rastlinných olejov, živočíšnych tukov a odpadového kuchynského oleja, ktoré obsahujú triglyceridy a mastné kyseliny. Výsledný produkt pozostáva z uhľovodíkov s priamym reťazcom (parafíny) s rôznymi vlastnosťami a veľkosťou molekúl v závislosti od charakteristiky suroviny a podmienok procesu. Typickým vedľajším produktom je propán. V porovnaní s fosílnou naftou má nižšiu hustotu a nižší energetický obsah. HVO neobsahuje síru, kyslík a aromatické uhľovodíky a má vysoké cetánové číslo. Dnes je HVO druhá najväčšia alternatíva obnoviteľnej nafty (po bionafte) na svete a je primiešaná do fosílnej nafty, ktorá sa predáva ako zmes na čerpacích staniciach. [5]
Maximálna miera náhrady fosílneho paliva s HVO je pri bežných dieselových motoroch na úrovni do 30 – 50 % (definované normou EN 590 na základe dolnej hranice hustoty dieselu [6]), v prípade upraveného motora možno spaľovať až sto percent HVO v konvenčných dieselových motoroch. HVO je aktuálne dostupná alternatíva využitia obnoviteľného paliva pre dieselové motory, avšak len v prípade, že vodík použitý na hydrogenáciu alebo hydrokrakovanie bude získaný z obnoviteľných zdrojov.

obr4

Chemický priemysel: e-chemicals – metanol

Rovnako ako v prípade e-fuels ide v prípade e-chemicals o uhľovodíky, pri ktorých bola na výrobu použitá obnoviteľná energia a odpadové priemyselné prúdy (najmä CO2). Zásadný rozdiel pri porovnávaní s e-fuels spočíva vo využití finálneho produktu – chemickej látky, a teda v kvalitatívnych požiadavkách, keď sú v prípade chemických látok, ktoré sú vo väčšine prípadov medziproduktami, prísnejšie s dôrazom na čistotu. Aj v prípade e-chemicals sa zvýšené náklady na výrobu zeleného vodíka, prípadne zachytávanie a čistenie odpadových prúdov prenesú na koncového zákazníka. Zákazník tak získa výrobky dennej spotreby, ktoré majú nižšiu emisnú stopu ako fosílne produkty pri nezmenenej kvalite. Tento fakt – vhodne komunikovaný, môže ponúknuť priestor na trhu zameraný na ECO produkty, ktoré sa zväčša uvádzajú za podstatne vyššiu cenu ako fosílne alternatívy.
Zaujímavé na e-chemicals je to, že v prípade vhodných podmienok, môžu slúžiť aj ako energetické nosiče obnoviteľného vodíka, tzv. liquid organic hydrogen carrier (LOHC) – táto možnosť dáva zmysel až po saturácií trhu s komoditami pre priemyselné využitie a pri potrebe skladovať energiu v tejto podobe dlhodobo. Metanol možno použiť ako medziprodukt na výrobu formaldehydu, kyseliny octovej, MTBE a iných chemikálií (asi 50 % z celkovej výroby metanolu), ako prímes do palív (16,5 %) a na výrobu olefínov (takmer 26 %)8. Konvenčná výroba metanolu sa realizuje reformáciou zemného plynu alebo splyňovaním uhlia. Obnoviteľný metanol (tzv. e-metanol) sa použitím vodíka ako vstupnej suroviny vyrába katalytickou konverziou CO2, a to buď priamou hydrogenácia CO2 s vodíkom, alebo konverziou CO2 na CO a následnou hydrogenáciou CO [7,8]. V rámci SVK sa ponúka možnosť využitia odpadových prúdov (bohatých na CO, CO2) na produkciu e-metanolu, napr. spoločnosť ENVIRAL ročne vyprodukuje ako vedľajší produkt pri výrobe etanolu približne 110 kt biogénneho CO2 s koncentráciou 70 – 80 %. Ďalšie zdroje CO2 produkované priemyselnými závodmi, ktoré majú potenciál na výrobu e-metanolu, sú zobrazené v tabuľke 1.

Tab 1 Priemyselné zdroje CO2 a ich parametre
Tab. 1: Priemyselné zdroje CO2 a ich parametre [9,10,11,12]

Celkové náklady na produkciu e-metanolu závisia najmä od kapacity závodu, ceny elektriny a zdroja a ceny CO2, ale aj od predajnej ceny kyslíka vznikajúceho pri elektrolýze. V prípade, že sa neráta s predajom O2, je prepočítaná cena podľa reportu IRENA (2021) v rozmedzí 360 – 900 €/t [6]. Aktuálne (od konca roka 2021) je táto komodita kótovaná na úrovni približne 2-krát vyššej ako je fosílny metanol (cena pre biometanol 1 665 €/t z 8. 3. 2022). Obnoviteľný metanol a e-metanol môžu znížiť emisie v rozsahu 60 – 99 % oproti fosílnemu, v závislosti od zdroja CO2.

Záver
Obnoviteľný vodík ako surovina aj ako energetický nosič má potenciál byť jednou z ciest trvalej environmentálnej a ekonomickej udržateľnosti Európy v budúcnosti. Obmedzené zdroje obnoviteľnej energie a obmedzené finančné zdroje na financovanie technológií vyžadujú dôkladnú prípravu a zváženie možností, a preferenciu využitia tohto potenciálu.

text Ing. Igor Pipíška, Ing. Valentína Kafková, Envien Group, Leopoldov

Literatúra
[ 1] Roland Berger (2020), Sustainable Aviation Fuels, dostupné online:
[2] https://www.rolandberger.com/en/Insights/Publications/Sustainable-aviation-fuels-key-for-the-future-of-air-travel.html
[3] https://ptx-hub.org/how-is-saf-produced-conversion-processes-explained/
[4] CAAFI (2021) Aviation’s Market Pull for SAF, dostupné online:
[5] https://www.caafi.org/focus_areas/docs/CAAFI_SAF_Market_Pull_from_Aviation_September2021.pdf
[6] IEA-Bioenergy (2021), Progress in Commercialization of Biojet/Sustainable Aviation Fuels (SAF): Technologies, potential and challenges, dostupné online: https://www.ieabioenergy.com/wp-content/uploads/2021/06/IEA-Bioenergy-Task-39-Progress-in-the-commercialisation-of-biojet-fuels-May-2021-1.pdf
[7] https://etipbioenergy.eu/images/ETIP_B_Factsheet_HVO_feb2020.pdf
[8] Neste (2020), Neste Renewable Diesel Handbook, dostupné online:
[9] https://www.neste.com/sites/default/files/attachments/neste_renewable_diesel_handbook.pdf
[10] https://www.electrochaea.com
[11] Dalena, F., Senatore, A., Marino, A., Gordano, A., Basile, M., & Basile, A. (2018). Methanol Production and Applications: An Overview. Methanol, 3–28. doi:10.1016/b978-0-444-63903-5.00001-7
[12] DECHEMA (2019), Technology Study. Low carbon energy and feedstock for the European chemical industry, dostupné online: https://cefic.org/app/uploads /2019/01/Low-carbon-energy-and-feedstock-for-the-chemical-industry-DECHEMA_Report-energy_climate.pdf
[13] IRENA and Methanol Institute (2021). Innovation Outlook: Renewable Methanol, dostupné online: https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2021/Jan/IRENA _Innovation_Renewable_Methanol_2021.pdf
[14] Khalipour, R., Mumford, K., Zhai, H., et. al. (2015). Membrane-based carbon capture from flue gas: a review. Journal of Cleaner Production 103.
[15] Adnan, Amir I., Mei Y. Ong, Saifuddin Nomanbhay, Kit W. Chew, and Pau L. Show. 2019. „Technologies for Biogas Upgrading to Biomethane: A Review“ Bioengineering 6, no. 4: 92.
[16] 3. European Conference, Biogas&Biogas Upgrading – Biogas PowerON,2021, Kodaň