Planetou obchází strašidlo – globální oteplování. Podle většiny vědců planetě nejvíce zatápí takzvané skleníkové plyny, které bohužel provázejí výrobu energie. V laboratořích celého světa se proto snaží najít na tuto prekérní situaci recept. Zajímavými cestami se vydali inženýři v amsterodamských laboratořích.
Každé otočení klíčkem v zapalování, zapnutí vypínače či ohřátí párků stojí drahocennou energii. Její výroba, která se většinou neobejde bez spalování, však za sebou zanechává řadu nechtěných stop. Některé jsou patrné hned, jiné se pohledům skrývají. Jejich postupné plíživé působení však hrozí obrátit svět do katastrofy. Řeč je pochopitelně zejména o nejrůznějších plynech, zejména o nejvýznamnějším skleníkovém plynu oxidu uhličitém. Zcela bez viny nejsou ale ani oxidy síry. Ty planetě sice nezatopí, ale radost z nich přece jen nikdo nemá. Spolu s oxidy uhlíku stojí za další ekologickou pohromou – kyselými dešti, které dokážou vypoklonkovat z krajiny celé lesy. Existuje tedy řada velmi dobrých důvodů, proč by měli vědci strašáky oxidů vyzvat na souboj. Ačkoliv vývoj tohoto pomyslného zápasu zatím jednoznačně přeje oxidům, díky neúnavné práci chemických inženýrů se už možná začíná blýskat na jeho otočení. Náš redaktor se vypravil zjistit podrobnosti do holandských laboratoří firmy Shell.
Více energie, méně CO2
O tom, že s budoucností světa to nevypadá nijak růžově, vědí naštěstí nejen radikální ekologičtí aktivisté, ale i lidé, kteří mají možnost naši budoucnost měnit skutečně efektivně – vědci a vývojoví inženýři. Zatímco technici si lámou hlavu v první řadě s tím, jak vyrobit stroje, které využijí každičký joule dostupné energie, chemici honí najednou ještě více zajíců. V první řadě je pro ně důležité optimalizovat nejrůznější paliva tak, aby při jejich spalování vznikalo co nejméně skleníkových plynů. Výroba paliv či jiných chemikálií je však sama o sobě poměrně náročný proces, který dosti energie také spolyká. Každá energie se zase musí někde vyrobit a její dodávání proto znamená i zvýšení emisí skleníkových plynů. Z tohoto bludného kruhu neustálého zvyšování emisí CO2 tedy skutečně není jednoduché vykročit a každý krok je třeba velmi pečlivě uvážit a zejména dobře odzkoušet. Chemický průmysl má však ve srovnání například s výrobci spotřební elektroniky či automobilů jednu velkou nevýhodu: Cesta od myšlenky k její realizaci předlouhá, nezřídka se počítá i na desítky let. „Mezinárodní dohody o snižování emisí a také veřejné mínění však dnes vytváří účinný tlak a tempo vývoje se dnes v této oblasti rapidně zrychluje,“ sdělil 21. STOLETÍ dr. Wilfried Maas, hlavní specialista Shellu na problémy skleníkových plynů.
Jak zastavit emise?
Způsobů, jak zamezit emisím CO2 únik do atmosféry, je hned několik. První skupinu tvoří ty, díky nimž se vzniku CO2 podaří zabránit předem. Tomu může napomoci to, že vytěžené uhlí se nebude jednoduše spalovat, ale před spálením se promění v plyny (CO, H2) procesem tzv. gasifikace. Tímto způsobem dnes chemici umějí zachytit okolo 37 % vznikajícího oxidu uhličitého, během následujících 10 let doufají ve zvýšení efektivnosti na asi 42 %. Při řadě procesů se však nelze přímému spalování vyhnout a CO2 lze společně s oxidy síry pomocí filtrů oddělit od ostatních plynů, které vznikají při spalování. Otázkou však zůstává, kam s ním, když jej nemůžeme volně vypustit do atmosféry? Jednou z možností je „naládovat“ jej pod zemský povrch. Využít je možno nejen přirozené pukliny v zemské kůře, ale i vytěžené podzemní zásobárny ropy a zemního plynu. Oxid uhličitý by nemusel být v podzemních prostorách pouze uskladňován, ale jeho tlak by mohl také napomoci k vytlačení zbývajících surovin na zemský povrch. Stejně dobře je možno jej napumpovat do uhelných ložisek, které se špatně těží. Když už z nich nelze získat uhlí, může CO2 alespoň nahradit zemní plyn, který uhelná ložiska často provází, a vytlačit jej na povrch.
Podmořský „sifon“ a zkamenělý CO2
Dalším efektivním způsobem, jak se zbavit nežádoucího oxidu uhličitého, je výroba jakéhosi „podmořského sifonu“. CO2 se doslova napumpuje hluboko pod mořský povrch, kde se rozpustí tak dobře, že se mu už nepodaří „vybublat“ k hladině. V současné době testují v laboratořích Shellu ještě další zajímavý a perspektivní způsob, jak se nepohodlného vedlejšího produktu zbavit. Dokážou doslova přeměnit plyn na kámen, který lze velmi jednoduše skladovat na zemském povrchu. K něčemu takovému je třeba mít nejprve minerál, který se vyskytuje na zemském povrchu zcela běžně a jeho získávání a těžba bude co nejjednodušší a nejlevnější. Právě takový materiál nalezli chemici v křemičitanech hořčíku (magnesium-silikáty), jednom z nejběžnějších „kamenů“, které kolem sebe každodenně potkáváme. Poměrně jednoduchým chemickým procesem lze silikáty přeměnit na karbonáty, v nichž je CO2 bezpečně uložen. Karbonáty lze potom jednoduše skladovat na zemském povrchu. Nemají zatím žádné významnější využití, ale víme o nich už přinejmenším jedno – nejsou toxické ani jinak nebezpečné.
Síra – nepřítel i spojenec
Síra je nepříjemným průvodcem většiny fosilních paliv. V některých případech, jako například u méně kvalitního hnědého uhlí, dosahuje podíl síry dokonce okolo 6 %! Spalováním síty vzniká oxid siřičitý (SO2), který podobně jako oxid uhličitý reaguje v atmosféře s vodou a mění pH dešťové vody na úroveň 5 a nižší. To znamená, že z mraků prší slabá kyselina, které dokáží poničit celé rostlinné ekosystémy ať už na suché zemi či ve vodě. Po odfiltrování síry z plynů, vznikajících spalováním, ale vyvstává stejný problém jako v případě CO2, tedy nerudovská otázka: „Kam s ní“? Jelikož se za běžných podmínek, panujících na Zemi, vyskytuje síra v pevném stavu, je řešení přeci jen o něco jednodušší, než je tomu v případě oxidů uhlíku. Pro tento vedlejší produkt chemické výroby nalezli už vývojáři řadu nejrůznějších využití. Produkty ze síry se většinou prodávají pod komerčními názvy s předponou thio- (theion = řecky síra). Využívání odpadní síry je už dnes vynikajícím příkladem toho, jak technologický rozvoj a vývoj nových aplikací dokáže napomáhat nejen dalšímu rozvoji materiálů a technologií, ale i nastartovat další ekonomický rozvoj.
Síra na polích i silnicích
Síra, která dlouho tvořila nevítaný vedlejší produkt využívání fosilních paliv, se dnes díky stále se rozšiřujícímu množství nejrůznějších využití posunula do pozice vyhledávané suroviny. Jednou ze základních oblastí jejího využití je výroba hnojiv pro hospodářské rostliny. Prozatím provedené testy prokázaly, že rostliny přiživované sírou poskytují až o 34 % lepší výtěžky než jejich nehnojené protějšky. Ze „sírových“ hnojiv však profituje i životní prostředí. Využívání „odpadní“ síry totiž může podstatně snížit energetické náklady na výrobu běžných hnojiv. Více rostoucí rostliny také dokážou během své fotosyntézy pohltit z ovzduší více CO2. Další oblastí, kde by mohla síra najít v budoucnu rozsáhlé uplatnění, je stavební průmysl, zvláště pokrývání vozovek pomocí takzvaného thioasfaltu. Běžný asfalt, který se užívá pro pokrývání vozovek a chodníků, má nejčastěji původ ve zbytcích po průmyslovém zpracování ropy. Po přidání dalšího odpadního produktu, síry, v podobě asi 5 mm velkých peletek, která může nahradit až 25 % asfaltové živice, se také výrazně promění její vlastnosti. A pochopitelně k lepšímu! Takový asfalt se v první řadě snadněji taví (síra taje už při teplotě 120 0C), a proto se snadněji aplikuje na potřebná místa. Je také výrazně pevnější. Auta jej proto jen tak snadno nezničí a pokryv tak může být tenčí, čímž se zase ušetří.
Tři tvrdé pravdy
Když Angličan použije slůvko „hard“, může mít na mysli ledascos. Toto slovo může znamenat jak „tvrdý“, tak například „obtížný“ či „nezvratný“. A právě všechny tyto významy zaznívají, když lidé, jimž leží na srdci zásobování lidstva energií mluví o třech „tvrdých pravdách“ (hard truths). První jistotou ohledně budoucnosti je to, že poptávka po dostupné energii v budoucnu rozhodně klesat nebude. Naopak! I podle poměrně střízlivých odhadů by v roce 2040 měl počet lidí na zeměkouli přesáhnout 9 miliard (oproti dnešním 6,8), v roce 2050 by se měla oproti roku 2000 zdvojnásobit světová spotřeba energie. Druhou skutečně tvrdou pravdou je, že takto obrovité narůstání spotřeby nebude možno pokrýt, pokud by lidstvo využívalo zdroje stejným způsobem, jako to dělá dnes. Pro současné i budoucí inženýry se tak otevírá obrovské výzkumné pole – zaklínadlem budoucnosti je vyšší efektivita využívání, která je bez inovací v technologiích nemyslitelná. Tím však obavy z budoucnosti zdaleka nekončí. Temným stínem snadno přístupné energie je znečišťování životního prostředí, zejména atmosféry. Skleníkový efekt, který je přímým důsledkem narůstání koncentrace CO2 v atmosféře, proměňuje prakticky všechna myslitelná prostředí naší planety.
Na energii s kobaltem
Chemici dobře vědí, že zdaleka ne všechny chemikálie spolu ochotně reagují. Aby se průběhu kýžené reakce napomohlo, vymýšlejí si proto nejrůznější finty. Někdy stačí zvýšit koncentraci, jindy dodat energii třeba zahřátím či mechanickým promícháním. V chemické velkovýrobě se ale nejčastěji dostává ke slovu další, rafinovanější způsob, jak průběh slučování umožnit či usnadnit. K reagujícím sloučeninám se přidá zvláštní látka, která reakci sice napomůže, ale sama do ní nevstoupí – katalyzátor. Velmi významnou katalyzovanou chemickou reakcí, hojně využívanou v dnešním chemickém průmyslu, je i tzv. Fischer-Tropschova syntéza. Na první pohled stačí smíchat oxid dusný (CO) s vodíkem (H2) a postupně můžeme získávat nejrůznější uhlovodíkové řetězce, které lze využívat třeba jako palivo. Celá věc je ale složitější. Aby celá kaskáda reakcí dobře proběhla, je třeba dodat právě katalytické činidlo. Nejčastěji se užívá drobounkých částeček železa, v poslední době je však čím dál populárnější kobalt. „Z našich výzkumů vyplývá, že nejlepší je užívat částečky kobaltu o velikosti mezi 3–10 nanometry,“ popisuje výsledky svých bádání charismatický dr. Carl Mesters, který má v laboratořích Schell na starosti právě optimalizaci a efektivitu výrobních postupů.
Beton s „příchutí“ síry
Síra, získaná z nežádoucího oxidu siřičitého, si nachází cestu i další a velmi významné oblasti stavebnictví – při výrobě a využití betonu. Takzvaný thiobeton nejenže dokáže zužitkovat dříve nepoužitelný odpad, ale pro životní prostředí má i řadu jiných výhod. „Při tvrdnutí běžného betonu vzniká jako vedlejší produkt chemických reakcí CO2, který se uvolňuje přímo do ovzduší. Uhlíková stopa (carbon footprint) thiobetonu je výrazně menší, neboť při jeho tvrdnutí CO2 nevzniká. Jediným CO2, kterým thiobeton zatěžuje životní prostředí, je ten, který vznikne při výrobě energie nutné pro rozehřátí síry,“ popisuje ekologickou přívětivost nového produktu Guy Verbist, který má ve výzkumu a vývoji v Shellu na starosti právě management síry. Kromě své ekologické přívětivosti má však tento materiál i další světlé stránky. Zvláště dobře odolává slanému a kyselému prostředí, což z něj dělá ideálního kandidáta na nejvhodnější materiál pro stavby na mořském pobřeží, jako jsou například hráze či vlnolamy. Tyto vlastnosti nejspíše ocení v zemích, které jsou stoupáním hladiny světových moří ohroženy nejvíce. Své zkušenosti s ním mají už nejen Holanďané, ale i Němci a Poláci.
