Uhlíkově neutrální palivo je palivo , které nezpůsobuje žádné čisté emise skleníkových plynů ani uhlíkovou stopu . V praxi to obvykle znamená palivo, které se vyrábí za použití oxidu uhličitého (CO 2 ) jako suroviny . Navrhovaná uhlíkově neutrální paliva lze obecně rozdělit na syntetická paliva , která se vyrábějí chemickou hydrogenací oxidu uhličitého , a biopaliva , která se vyrábějí pomocí přirozených procesů spotřebovávajících CO 2 , jako je fotosyntéza .
Oxid uhličitý používaný k výrobě syntetických paliv lze zachytit přímo ze vzduchu , recyklovat z výfukových plynů elektráren nebo vyrobit z kyseliny uhličité v mořské vodě . Příklady syntetických paliv zahrnují vodík , čpavek a metan [1] , ačkoli složitější uhlovodíky , jako je benzín a petrolej [2] , byly také úspěšně uměle syntetizovány. Kromě toho, že jsou uhlíkově neutrální, mohou tato obnovitelná paliva snížit náklady na dovoz fosilních paliv a snížit závislost na nich. Další výhodou může být absence nutnosti přechodu vozidel na elektrický pohon nebo vodíkové palivo [3] . Aby byl proces skutečně uhlíkově neutrální, jakákoli energie potřebná pro tento proces musí být sama o sobě uhlíkově neutrální, jako je obnovitelná energie nebo jaderná energie [4] [5] [6] [7] .
Pokud uhlíkově neutrální spalování paliva zachycuje uhlík v komíně nebo výfuku, vede to k čistým negativním emisím oxidu uhličitého a může tak představovat formu rekuperace skleníkových plynů . Záporné emise jsou považovány za hlavní složku snah o omezení globálního oteplování, ačkoli technologie, které je zajišťují, nejsou v současné době ekonomicky konkurenceschopné [8] . Uhlíkové kredity budou pravděpodobně hrát důležitou roli při podpoře paliv se záporným uhlíkem [9] .
Uhlíkově neutrální paliva jsou syntetické uhlovodíky. Jejich hlavním zdrojem jsou chemické reakce mezi oxidem uhličitým a vodíkem, který vzniká při elektrolýze vody pomocí obnovitelných zdrojů energie. Palivo, často označované jako elektrické palivo, je úložiště energie používané k výrobě vodíku [10] . Uhlí lze také použít k výrobě vodíku, ale nebude to uhlíkově neutrální zdroj. Oxid uhličitý lze zachytit a pohřbít, díky čemuž jsou fosilní paliva uhlíkově neutrální, i když neobnovitelná. Zachycování uhlíku z výfukových plynů může změnit uhlíkově neutrální palivo na uhlíkově negativní palivo. Přírodní uhlovodíky mohou být rozloženy na vodík a oxid uhličitý, které se pak likvidují, zatímco se vodík používá jako palivo. Tento proces bude také uhlíkově neutrální [11] .
Energeticky nejefektivnějším a technologicky nejvyspělejším palivem při výrobě je plynný vodík [12] , který lze použít ve vozidlech s vodíkovými palivovými články. Vodíkové palivo se obvykle vyrábí elektrolýzou vody . Sabatierovou reakcí pak může být produkován metan, tedy syntetický zemní plyn, který může být skladován pro pozdější spalování v elektrárnách , přepravován potrubím, nákladním automobilem nebo plynovým tankerem, používaným v procesech plyn-kapalina , jako je Fischer-Tropschův proces , pro výrobu kapalných paliv pro dopravu nebo vytápění [3] [13] [14] .
Existuje několik dalších paliv, která lze vytvořit pomocí vodíku. Například kyselina mravenčí může být vyrobena reakcí vodíku s C02 . Kyselina mravenčí v kombinaci s CO 2 může tvořit isobutanol [15] .
Metanol lze získat jako výsledek chemické reakce molekuly oxidu uhličitého se třemi molekulami vodíku za vzniku vody. Nahromaděnou energii lze získat zpět spalováním metanolu ve spalovacím motoru, přičemž se uvolňuje oxid uhličitý, voda a teplo. Metan lze získat podobnou reakcí. Zvláštní opatření proti úniku jsou důležitá, protože metan je z hlediska potenciálu globálního oteplování téměř 100krát silnější než CO 2 . Dále je možné chemicky kombinovat molekuly methanolu nebo metanu do větších molekul uhlovodíkového paliva [3] .
Výzkumníci také navrhli použití methanolu k výrobě dimethyletheru . Toto palivo lze použít jako náhradu motorové nafty díky své schopnosti samovznícení při vysokém tlaku a teplotě. V některých oblastech se již používá pro vytápění a výrobu energie. Je netoxický, ale musí být skladován pod tlakem [16] . Větší uhlovodíky [12] a ethanol [17] lze také vyrábět z oxidu uhličitého a vodíku.
Všechny syntetické uhlovodíky se obvykle získávají při teplotách 200-300 °C a tlacích 20 až 50 barů. Ke zvýšení účinnosti reakce a vytvoření požadovaného typu uhlovodíkového paliva se běžně používají katalyzátory . Takové reakce jsou exotermické a používají asi 3 moly vodíku na mol použitého oxidu uhličitého. Jako vedlejší produkt také produkují velké množství vody [4] .
Nejúspornějším zdrojem uhlíku pro zpracování na palivo jsou emise spalin ze spalování fosilních paliv , kde jej lze získat za přibližně 7,50 USD za tunu [6] [18] [13] . Proces však není uhlíkově neutrální, protože uhlík je fosilního původu a přesouvá se z geosféry do atmosféry. Zachytávání výfukových plynů vozidel je také považováno za ekonomické, ale vyžadovalo by významné konstrukční změny nebo modernizace [19] . Protože oxid uhličitý v mořské vodě je v chemické rovnováze s atmosférickým oxidem uhličitým, studuje se extrakce uhlíku z mořské vody [20] [21] . Vědci spočítali, že těžba uhlíku z mořské vody by stála asi 50 dolarů za tunu [7] . Zachycování uhlíku z atmosférického vzduchu je dražší, pohybuje se od 94 do 232 USD za tunu, a je považováno za nepraktické pro syntézu paliva nebo sekvestraci uhlíku [22] . Zachycování vzduchu je méně rozvinuté než jiné metody. Obvykle se alkálie používají k reakci s oxidem uhličitým ve vzduchu a tvoří uhličitany . Uhličitany pak mohou být rozloženy a hydratovány, aby se uvolnil čistý CO2 a regenerovala alkálie . Tento proces vyžaduje více energie než jiné metody, protože koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře je mnohem nižší než u jiných zdrojů [3] .
Kromě toho se navrhuje využívat biomasu jako zdroj uhlíku pro výrobu paliva. Přidání vodíku do biomasy sníží množství uhlíku v ní a povede k tvorbě paliva. Tato metoda má výhodu využití rostlinné hmoty k levnému zachycení oxidu uhličitého. Rostliny také přidávají do paliva chemickou energii z biologických molekul. To může být efektivnější využití biomasy než konvenční biopaliva , protože využívá více uhlíkové a chemické energie z biomasy místo toho, aby uvolňovalo tolik energie a uhlíku. Jeho hlavní nevýhodou je, že stejně jako u klasické výroby etanolu konkuruje výrobě potravin [4] .
Noční větrná energie je považována za nejekonomičtější formu elektřiny, kterou lze použít k syntéze paliv, protože křivka zatížení energetických systémů prudce vrcholí během dne, zatímco vítr bývá v noci o něco silnější než ve dne. Náklady na noční větrnou energii jsou tedy často mnohem nižší než náklady na jakoukoli alternativu. Ceny větrné energie mimo špičku v oblastech s vysokým větrem v USA byly v roce 2009 v průměru 1,64 centů/ kWh a pouze 0,71 centů/kWh v noci [3] . Velkoobchodní cena elektřiny přes den je zpravidla od 2 do 5 centů za kilowatthodinu. Komerční společnosti zabývající se syntézou paliv předpokládají, že syntetický benzín bude levnější než běžný benzín při cenách ropy nad 55 USD za barel.
V roce 2010 tým chemických technologů pod vedením Heather Willauerové z amerického námořnictva vypočítal, že se 100 MW elektrické energie by bylo možné vyrobit 160 m³ leteckého paliva denně a výroba na palubách lodí s jaderným pohonem by stála asi 1 600 USD za den. krychlový metr (6 USD za americký galon). I když to v roce 2010 představovalo přibližně dvojnásobek ceny topného oleje, očekávalo se, že bude výrazně pod tržní cenou za méně než pět let, pokud budou pokračovat nedávné trendy. Navíc, protože dodávka paliva skupině letadlových lodí stojí asi 8 dolarů za americký galon , je místní produkce mnohem levnější [23] .
Willauer poznamenává, že mořská voda je „nejlepší možností“ jako zdroj uhlíku pro syntetické tryskové palivo [24] [25] . Do dubna 2014 Willauerův tým ještě nevyráběl palivo podle standardů vojenských letadel [26] [27] , ale v září 2013 byli schopni použít syntetické palivo k letu rádiem řízeného modelu poháněného dvěma dvoudobými spalovacími motory [ 28] . Vzhledem k tomu, že tento proces vyžaduje velké množství elektřiny, budou prvními nosiči zařízení na výrobu vlastního tryskového paliva jaderné letadlové lodě typu Nimitz a Gerald Ford [29] . Očekává se, že americké námořnictvo tuto technologii nasadí v roce 2020.
Závod na syntézu metanu o výkonu 250 kilowattů byl postaven Centrem pro solární energii a výzkum vodíku (ZSW) v Bádensku-Württembersku a Fraunhofer Society v Německu a zahájilo provoz v roce 2010. Je modernizován na 10 megawattů a dokončení je naplánováno na podzim 2012 [30] [31] .
Závod George Ohla na oxid uhličitý, provozovaný společností Carbon Recycling International v Grindaviku na Islandu, vyrábí od roku 2011 2 miliony litrů paliva pro dopravu metanolu ročně ze spalin z elektrárny Swarzengi [32] . Jeho maximální kapacita je 5 milionů litrů ročně [33] .
Audi postavilo továrnu na zkapalněný zemní plyn (LNG) s nulovým obsahem uhlíku v německém Werlte [34] . Závod je určen k výrobě dopravního paliva používaného v jejich vozidlech A3 Sportback g-tron a dokáže při své původní kapacitě extrahovat 2 800 metrických tun CO 2 ročně [35] z atmosféry .
Komerční rozvoj probíhá v Kolumbii (Jižní Karolína) [36] , Camarillo (Kalifornie) [37] a Darlingtonu (UK) [38] . Demonstrační projekt v Berkeley v Kalifornii navrhuje syntézu paliv a jedlých olejů z regenerovaných spalin [39] .
Uhlíkově neutrální paliva mohou vést k obnově skleníkových plynů, protože oxid uhličitý bude opětovně použit k výrobě paliva, nikoli vypuštěn do atmosféry. Odstraněním oxidu uhličitého z výfukových plynů elektráren se vyloučí jeho uvolňování do atmosféry, i když při spalování paliva ve vozidlech se uhlík uvolní, protože neexistuje žádný ekonomický způsob, jak tyto emise zachytit [3] . Tento přístup, používaný ve všech elektrárnách na fosilní paliva, by snížil čisté emise oxidu uhličitého asi o 50 %. Předpokládá se, že většina elektráren spalujících uhlí a zemní plyn bude ekonomicky dovybavena pračkami oxidu uhličitého pro zachycování uhlíku, recirkulaci výfukových plynů nebo sekvestraci uhlíku [40] [18] [41] . Nejen, že se očekává, že taková rafinace bude stát méně než nadměrné ekonomické dopady změny klimatu, ale také se vyplatí, protože rostoucí celosvětová poptávka po palivech a špičkový nedostatek ropy zvyšují cenu ropy a zastupitelného zemního plynu [42] [43] .
Zachycování CO 2 přímo ze vzduchu nebo extrakce oxidu uhličitého z mořské vody také sníží množství oxidu uhličitého v životním prostředí a vytvoří uzavřený uhlíkový cyklus, který eliminuje nové emise oxidu uhličitého [4] . Použití těchto metod zcela eliminuje potřebu uhlí, ropy a plynu za předpokladu, že obnovitelná energie je dostatečná k výrobě paliva. Použití syntetických uhlovodíků k výrobě syntetických materiálů, jako jsou plasty, může mít za následek trvalou sekvestraci uhlíku z atmosféry [3] .
Některé úřady doporučují výrobu metanolu místo tradičního dopravního paliva. Při normální teplotě je to kapalina, při požití jedovatá. Metanol má vyšší oktanové číslo než benzín, ale nižší energetickou hustotu a lze jej míchat s jinými palivy nebo používat samostatně. Lze jej použít i při výrobě složitějších uhlovodíků a polymerů. Metanolové palivové články byly vyvinuty Jet Propulsion Laboratory na California Institute of Technology pro přeměnu metanolu a kyslíku na elektřinu [16] . Metanol lze přeměnit na benzín, tryskové palivo nebo jiné uhlovodíky, ale to vyžaduje další energii a sofistikovanější výrobní zařízení [3] . Metanol je o něco korozívnější než tradiční paliva, takže vyžaduje úpravu auta za cenu kolem 100 USD [4] [44] .
V roce 2016 byla vyvinuta metoda přeměny oxidu uhličitého na etanol pomocí uhlíkových špiček , mědi a nanočástic dusíku.
Paliva vyrobená z mikrořas mají potenciál mít nízkou uhlíkovou stopu a jsou aktivní oblastí výzkumu, i když dosud nebyl zaveden žádný systém výroby ve velkém měřítku. Mikrořasy jsou vodní jednobuněčné organismy . Přestože na rozdíl od většiny rostlin mají extrémně jednoduchou buněčnou strukturu, jsou stále fotoautotrofní , schopné využívat sluneční energii k přeměně oxidu uhličitého na sacharidy a tuky prostřednictvím fotosyntézy . Tyto sloučeniny mohou sloužit jako suroviny pro biopaliva, jako je bioetanol nebo bionafta [45] . Proto, i když by spalování paliv na bázi mikrořas stále produkovalo emise jako jakékoli jiné palivo, mohlo by být uhlíkově neutrální, pokud by bylo celkově absorbováno stejné množství oxidu uhličitého, jaké je emitováno během spalování.
Výhodou mikrořas je jejich vyšší účinnost fixace CO 2 ve srovnání s většinou rostlin [46] a jejich schopnost růst v široké škále vodních biotopů [47] . Jejich hlavní nevýhodou je vysoká cena. Argumentovalo se, že jejich jedinečná a vysoce variabilní chemie je může učinit atraktivními pro některé aplikace [45] .
Mikrořasy obsahující vysoké množství bílkovin lze použít jako krmivo pro hospodářská zvířata . Některé druhy mikrořas produkují cenné sloučeniny, jako jsou pigmenty a léčiva [48] .
VýrobaDvě hlavní metody pro pěstování mikrořas jsou drenážní systémy a fotobioreaktory (PBR). Raceway Pond Systems se skládají z uzavřené smyčky oválného kanálu, který má lopatkové kolo pro cirkulaci vody a zabránění usazování. Kanál se nachází pod širým nebem, jeho hloubka se pohybuje v rozmezí 0,25-0,4 m [45] . Jezírko by mělo být mělké, protože samozastínění a optická absorpce mohou vést k omezenému pronikání světla. Živnou půdu fotobioreaktoru tvoří uzavřené průhledné zkumavky. Má centrální nádrž, ve které cirkuluje vývar z mikrořas. Fotobioreaktor je jednodušší systém na provoz, ale vyžaduje vyšší celkové výrobní náklady.
Emise uhlíku z biomasy mikrořas produkované v odtokových vodách lze přirovnat k emisím z konvenční bionafty, pokud je spotřeba energie a živin považována za uhlíkově náročnou. Odpovídající emise z biomasy mikrořas produkované ve fotobioreaktorech mohou dokonce převyšovat emise z konvenční fosilní motorové nafty. Neefektivita souvisí s množstvím elektřiny použité k čerpání vývaru z řas systémem. Využití vedlejšího produktu k výrobě elektřiny je jednou ze strategií, která může zlepšit celkovou uhlíkovou bilanci. Je třeba také vzít v úvahu, že emise uhlíku se mohou vyskytovat v různých odvětvích služeb – vodní hospodářství, nakládání s oxidem uhličitým a zásobování živinami. Celkově však systémy Raceway Pond vykazují atraktivnější energetickou bilanci než systémy fotobioreaktorů.
EkonomieNáklady na produkci mikrořas a biopaliv prostřednictvím implementace systémů povodí dominují provozní náklady, které zahrnují práci, suroviny a veřejné služby. V systému rezervoáru s drenáží během kultivačního procesu je největší výdajovou položkou elektřina na zajištění cirkulace kultur mikrořas, která se pohybuje od 22 % do 79 % [45] . Naopak u fotobioreaktorů převažují investiční náklady nad výrobními náklady. Tento systém má vysoké náklady na instalaci, i když provozní náklady jsou relativně nižší než u systémů povodí.
Biopalivo z mikrořas je dražší než fosilní paliva, asi 3 dolary za litr [49] , což je výrazně dražší než běžný benzín.
Vliv na životní prostředíVýstavba velkých farem na mikrořasy nevyhnutelně povede k negativním dopadům na životní prostředí spojeným se změnou využívání půdy , jako je zničení stávajících přírodních ekosystémů. Mikrořasy mohou za určitých podmínek také emitovat skleníkové plyny, jako je metan nebo oxid dusný , nebo páchnoucí plyny, jako je sirovodík , ačkoli to dosud nebylo široce studováno. Pokud není správně spravováno, mohou toxiny přirozeně produkované mikrořasami prosakovat do půdy nebo podzemních vod [50] .
VýrobaVoda podléhá elektrolýze při vysokých teplotách za vzniku plynného vodíku a plynného kyslíku. Energie k tomu pochází z obnovitelných zdrojů, jako je větrná energie. Vodík poté reaguje se stlačeným oxidem uhličitým zachyceným z atmosféry . V důsledku reakce vzniká modrý olej, který se skládá ze směsi uhlovodíků. Modrý olej se pak rafinuje na vysoce výkonnou naftu [51] [52] . Při současné výrobní kapacitě lze vyrobit asi 1000 litrů paliva za měsíc, neboli 0,0002 % denní produkce paliva ve Spojených státech. [53] Navíc byla zpochybněna termodynamická a ekonomická proveditelnost této technologie. Proto tato technologie nevytváří alternativu k fosilním palivům, ale přeměňuje obnovitelné zdroje energie na kapalná paliva. Energetická návratnost energie investované do fosilní nafty se odhaduje na 18krát vyšší než u syntetické nafty. [54]
Výzkum uhlíkově neutrálních paliv probíhá již desítky let. Již v roce 1965 bylo navrženo syntetizovat metanol z oxidu uhličitého ve vzduchu pomocí jaderné energie [55] . Mořská výroba syntetických paliv pomocí jaderné energie byla studována v letech 1977 a 1995 [56] [57] V roce 1984 byla studována obnova oxidu uhličitého z elektráren na fosilní paliva [58] . V roce 1995 byly odhadnuty náklady na přeměnu lodí na uhlíkově neutrální metanol s další syntézou benzinu [44] .