Zachrání Čína spalovací motory? Významě pokročila ve výrobě syntetických paliv

Automobily s různým typem motoru.
Autor: Petr Kadlík

Jak se vyrábí syntetická paliva?

Syntetická paliva jsou kapalné uhlovodíky, které se chemicky v zásadě neliší od benzínu nebo nafty získaných z ropy. Jsou vyrobeny ze základních prvků: vodíku a oxidu uhličitého.

Celý výrobní řetězec je energeticky náročný a skládá se ze tří hlavních kroků, které musejí být napájeny obnovitelnou elektřinou (např. z větrných či solárních parků), aby byl zachován princip uhlíkové neutrality.

Jak jsme si už řekli, jednou ze základních složek je vodík, který se získává elektrolýzou vody. Vodík získaný tímto způsobem se nazývá „zelený vodík“.

Aby byla zajištěna uhlíková neutralita procesu, musí být i druhá složka, oxid uhličitý, zajištěna též „zelenou“ cestou. Získává se buď z biogenních zdrojů, nebo, což je nejambicióznější, přímo ze vzduchu pomocí technologie Direct Air Capture (DAC). Tím se zajistí, že CO2 uvolněný při spalování paliva je kompenzován CO2 spotřebovaným při výrobě.

Zelený vodík a zachycený CO2 se nejprve převedou na syntézní plyn (syngas), což je směs oxidu uhelnatého a vodíku. Syngas je pak vstupní surovinou pro klíčovou reakci, kterou je Fischerova–Tropschova syntéza FTS. Fischerova–Tropschova syntéza (FTS) je katalytická reakce, která mění plynný syngas na kapalné uhlovodíky, které tvoří palivo.

Proč e-paliva nejsou na každé pumpě?

Přestože FTS není nová technologie (používala se již za druhé světové války), syntetická paliva nejsou masově rozšířená kvůli trojici zásadních problémů: energetické účinnosti, nákladům a vedlejším emisím mimo CO2.

Největší překážkou je dramaticky nízká energetická účinnost přeměny obnovitelné elektřiny na pohon kol (15–20 %).oproti elektromobilu (75–80 %). Jinými slovy: Stejné množství obnovitelné elektřiny, které by pohánělo auto na e-palivo na 100 km, by pohánělo elektromobil na 400 až 500 km.

V důsledku nízké účinnosti a vysokých investičních a provozních nákladů jsou e-paliva zatím extrémně drahá. Masivní snížení nákladů je závislé na dvou faktorech. Rapidním snížení cen zeleného vodíku. Masivní levné produkci elektřiny z obnovitelných zdrojů v místech s ideálními podmínkami (např. pouště nebo větrné oblasti Chile).

Zatímco syntetická paliva řeší problém CO2, studie ukazují, že při jejich spalování ve stávajících spalovacích motorech stále vznikají vysoké emise škodlivých znečišťujících látek jako jsou zejména oxidy dusíku, toxické plyny, které jsou jedním z největších znečišťovatelů ovzduší ve městech. Jejich produkce je u e-paliv srovnatelná s běžným benzínem. Oxid uhelnatý a jemné prachové částice.

Problém s těmito emisemi by bylo nutné řešit buď úpravou složení samotných paliv, nebo vývojem nových, čistších spalovacích motorů.

Čínský průlom – nižší emise a vyšší účinnost

Čínským vědcům se podařilo laboratorně upravit FTS tak, že celý proces vemi výrazně zefektivnili co se týče výroby a snížili vedlejší produkci CO2 téměř na nulu.

Tradiční FTS využívající levné a dostupné železné katalyzátory má tendenci generovat nežádoucí vedlejší produkt – CO2. Tento CO2 během výroby, a to prostřednictvím reakce vodního plynu (Water-Gas Shift Reaction, WGSR). Železné katalyzátory zkrátka preferují reakci při které z CO a vody vzniká CO2 a vodík. Spotřebovává se tak drahocenný oxid uhelnatý CO, který mohl být přeměněn na kapalné palivo. Nezhoršuje to sice tak výrazně celkovou bilanci životního cyklu uhlíku jako fosilní paliva, ale velmi to snižuje efektivitu výroby.

Vědecký tým z Čínské akademie věd a Pekingské univerzity objevil, že stačí přidat do syngasu pouze stopové množství halogenové sloučeniny, například brommethanu.

Halogenový atom (brom) se naváže na povrch katalyzátoru z karbidu železa a zamezí tak výše zmíněné vedlejší reakci. Celá reakce se tak přesměruje téměř výhradně na tvorbu žádaných olefinů (nenasycených uhlovodíků), které jsou ideálními prekurzory pro výrobu kapalných paliv.

Výsledek: Vedlejší produkce CO2 byla téměř eliminována (pod 1 \%), zatímco účinnost produkce olefinů vzrostla až na 85 %. Tím se proces FTS stává mnohem účinnějším a čistším z hlediska výrobních emisí.

V čem je problém?

Popsaný objev řeší jednu klíčovou technickou slabinu FTS, cesta k jeho masovému nasazení je ale stále trnitá.

Halogeny jsou v průmyslové chemii známé jako silná činidla. I v nízké koncentraci hrozí, že halogenované sloučeniny by mohly po tisících hodin provozu trvale poškodit strukturu železného katalyzátoru. Zejména v prostředí vysokých teplot a tlaku, mohou vést ke korozi a degradaci drahého průmyslového zařízení (reaktoru). Je nutné ověřit, že použitá stopová množství brommethanu neohrozí integritu reaktorů v průmyslovém měřítku.

Problém je i s cenou této látky. I když je množství malé, je nutné vyřešit buď recyklaci halogenu, nebo zajistit jeho levnou a udržitelnou dodávku.

A konečně, je třeba zdůraznit, že tento objev neřeší ty největší existující bariéry masového rozšíření e-paliv, a to: •

Nadále nízkou celkovou energetickou účinnost spalování (15–20 % z elektřiny na kola). •

Vysokou cenu finálního paliva, která je primárně tažena náklady na zelený vodík a obnovitelnou elektřinu. •

Přetrvávající problém s emisemi Nox a PM2.5 při spalování paliva v motorech.

Syntetická paliva nabízejí teoreticky uhlíkově neutrální alternativu pro stávající vozový park a pro sektory, kde je přímá elektrifikace obtížná (letecká doprava, těžká nákladní doprava). Jejich současné masové rozšíření však brání ekonomická neefektivita a obrovské energetické ztráty ve srovnání s elektromobilitou.

Čínský objev halogeny promovaného FTS je významným technickým pokrokem, který řeší jednu z hlavních slabin procesu výroby – vytváření nechtěného CO2. Otevírá cestu k efektivnější a čistší výrobě, ale neřeší základní problém potřeby obrovského množství levné obnovitelné energie.

E-paliva pravděpodobně nebudou palivem pro většinu osobních automobilů, ale s technologickými průlomy, jako je ten čínský, se stávají nezbytnou a efektivnější volbou pro náročné sektory dopravy.

Zdroj:
ZHANG, Zh., BIAN, Z., LIU, X., WANG, S., SUN, Y., LIN, S., HAN, Y., BI, X., LIU, D., WANG, Y., WU, M. a MA, D. Trace-level halogen blocks $\text{CO}_2$ emission in Fischer–Tropsch synthesis for olefins production. Applied Catalysis B: Environmental. 2024, 343, 123490. ISSN 0926-3373. DOI: 10.1016/j.apcatb.2023.123490.