Energetický projekt BIO CCS – zachycování a ukládání uhlíku

V soutěži o nejlepší projekty excelentního výzkumu vyhlášeného MŠMT v rámci OP VVV byl v zahraničním hodnocení na druhém místě vyhodnocen ryze technický energetický projekt s akronymem BIO CCS (zachycování a ukládání uhlíku) podaný Ústavem energetiky Fakulty strojní ČVUT v Praze. Již jeho záměr prakticky předběhl dobu, protože akcentoval v rámci nízkouhlíkových technologií nejen výrazné snížení produkce CO₂, ale předjímal v rámci navržených kyslíkových technologií využití biomasy dokonce zápornou produkci CO₂ možností zachycovat CO₂ ze spalování biomasy.
 
Úspěšný návrh projektu navazoval na dlouhodobou předchozí spolupráci Ústavu energetiky s významnou norskou výzkumnou organizací SINTEF z Trondheimu v rámci udělených grantů z programu Norských fondů. V srpnu 2021 vydaná zpráva Mezinárodního panelu pro změnu klimatu (IPCC) potvrzuje význam výzkumu v této oblasti společně s tzv. CCU technologiemi (záchyt a využití CO₂). Evropská unie se v rámci „Green Deal“ dohody zavázala k dekarbonizaci energetiky a průmyslu. Česká republika se chce do roku 2038 odklonit od využívání uhlí k výrobě elektrické energie a tepla. V případě spolehnutí se jen na obnovitelné zdroje energie, kterými jsou dnes vítr, voda, slunce a biomasa, v omezené míře na zemní plyn a jaderné energie, kdy výstavba nových jaderných bloků je opožděná, by docházelo ke značné závislosti na dovozu elektrické energie z okolních států a při jejím nedostatku k nevyhnutelným blackoutům. Pokud bude ČR chtít dostát závazkům Evropské unie o dekarbonizaci naší energetiky a zároveň udržet bezpečnost dodávek elektrické energie, budou se technologie CCS, resp. CCU muset stát součástí české energetiky a průmyslu do doby, než vybuduje dostatečnou kapacitu CO₂ neutrálních zdrojů včetně jaderných, které jsou pro ČR jedinou reálnou možností pro náhradu fosilních

Unikátní spalovací zařízení
 

Projekt BIO CCS se věnuje komplexnímu výzkumu CCU/CCS technologií a integruje významná pracoviště v ČR. V rámci ČVUT se na něm podílí i Fakulta jaderná a fyzikálně-inženýrská, dalšími partnery jsou Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně, Centrum ENET VŠB-TU Ostrava a Ústav termomechaniky AV ČR. ČVUT je hlavním koordinátorem projektu a také realizuje podstatnou část výzkumných aktivit. Účastní se jej řada odborníků ze zahraničních univerzit, kteří jsou přímo zapojeni ve výzkumných týmech. Jedná se např. o TU Wien, univerzitu v Neapoli, Wroclavskou polytechniku, univerzitu v Limericku nebo TU Dresden.

Kyslíková technologie („oxyfuel“) byla úspěšně vyřešena na pilotním fluidním zařízení 500 kW (přezdívaný GOLEM)  v laboratoři Ústavu energetiky Fakulty strojní ČVUT v Praze na Julisce. Toto spalovací zařízení je jedním z největších úspěchů projektu a umožňuje spalování biomasy, uhlí a odpadů ve zvláštním režimu, kdy je místo vzduchu ke spalování paliva využit čistý kyslík. To způsobí, že spaliny jsou z velké části tvořeny proudem CO₂, který je pak díky jeho vyšší koncentraci snazší separovat, zachytit a dále využít či uložit. Spalovací zařízení této velikosti je jediné v ČR a patří mezi několik málo velkých výzkumných infrastruktur v evropském kontextu. Svojí velikostí 0,5 MW umožňuje validaci laboratorních výsledků na pilotní úroveň a jejich lepší převedení do skutečné realizace.

Kromě vlastního oxyfuel spalovacího procesu je v rámci projektu zkoumána řada dalších procesů, které jsou převážně zaměřené na separaci nežádoucích příměsí v CO₂, aby byl připraven pro navazující technologie využití. I v této oblasti bylo dosaženo unikátních výsledků. Jedinečnými jsou například systémy sloužící pro snížení obsahů oxidů dusíku ve spalinách, konkrétně experimentální katalytický blok pro vysokoúčinnou denitrifikaci nebo výzkumným týmem vyvinutý speciální systém vstřiku redukčního činidla pro selektivní nekatalytickou redukci oxidů dusíku.

V laboratořích Fakulty strojní ČVUT v Praze je i menší verze tohoto kotle, která umožňuje provádět experimentální výzkum ve výrazně širším rozsahu testovaných parametrů, a získat tak důležité dílčí výsledky, které jsou na pilotní jednotce následně validovány. I toto zařízení pracuje v reálných procesních podmínkách a opět je unikátním zařízením v ČR. Řešíme využití jak dřevní, tak nedřevní biomasy, což reflektuje budoucí situaci, kdy po odklonu od uhlí bude nutné energeticky využívat i cíleně pěstované plodiny.

Na samotný spalovací proces navazují další výzkumné aktivity, mezi něž patří například separace vodní páry z CO₂. I v této oblasti má tým Bio-CCS/U na ČVUT v Praze na kontě několik úspěšných výstupů, jako jsou prototypy přímého či nepřímého kondenzačního systému, který je možné experimentálně validovat přímo ve spojení s fluidním kotlem. Nedílnou součástí jsou i kroky zaměřené na optimalizaci výroby kyslíku a samotné technologie využití CO₂, mezi něž patří katalytická konverze na syntetický metan či metanol, případně využití ve fotobioreaktorech. Experimentální aktivity, které jsou hlavním těžištěm výzkumu, jsou rovněž podpořeny numerickými metodami, které mají za cíl modelování jednotlivých procesů a z nich vyplývající možnosti optimalizace procesů.

Přínos Ústavu k transformaci české energetiky

Význam této technologie se ukazuje zejména v souvislosti s transformací české energetiky. Evropská unie zavazuje své členy k urychlení cesty k „uhlíkové neutralitě“. Praktické provádění této transformace je založeno na cíleném odchodu od všech paliv obsahujících uhlík, tedy i od přírodního zemního plynu. Zelenými energiemi jsou míněny pouze energie slunce, větru, vody a biomasa. Analýzy reálných možností obnovitelných zdrojů (OZE) ukazují, že ČR musí hledat vlastní cestu k uhlíkové neutralitě a tato cesta bude znamenat nejen podporu jaderné energetiky, ale i zavedení tzv. čistých technologií využívání fosilních paliv.

Členové Ústavu energetiky Fakulty strojní ČVUT v Praze, jenž je dlouhodobě uznávaným vysokoškolským pracovištěm v oblasti energetiky, jsou přizváváni do odborně významných výborů a komisí, které se transformací české energetiky zabývají. V roce 2019 byla jmenována tzv. Uhelná komise ČR, která měla v počínajícím proklamativním trendu odklonu všech evropských zemí od využívání uhlí pro energetické účely posoudit, pokud možno objektivní možnosti, jak a kdy lze opustit uhelnou energetiku v ČR. Jmenování do této devatenáctičlenné komise jsem od počátku chápal jako uznání mnohaletých kvalitních výsledků Ústavu energetiky Fakulty strojní ČVUT v Praze, který v rámci ČR dlouhodobě představuje pomyslnou akademickou špičku v problematice energetických koncepcí a progresivních technologií. Dosavadní výsledek této komise představuje jednoznačné stanovení pomyslného data ukončení využívání uhlí v roce 2038. Tento rok byl podpořen naprostou většinou členů komise, protože součástí tohoto závěru bylo i stanovení podmínek, které to umožňují.

Ze skladby současných obnovitelných zdrojů je zřejmé, že reálně k realizaci máme pouze zdroje fotovoltaické a větrné elektrárny. Fotovoltaika má bohužel faktor využití instalovaného výkonu cca 11 %, což si akademická obec ČVUT může ověřit na docela významné fotvoltaické střešní elektrárně 118 kWpeak na dejvickém monobloku Fakulty elektrotechnické a Fakulty strojní. Taktéž si zde lze ověřit, že v zimních měsících z ní získáme elektřiny opravdu málo, a to ještě ve slunečném dnu na pár hodin v poledne. Vítr v české kotlině sice fouká, jak zjistili odborníci z České akademie věd, ale už jim ušlo, že průměrná rychlost větru je významně menší než na otevřených rovinách Saska a Pomořanska. Takže reálné využití instalovaného výkonu je cca 22 %, pokud větrníky neověnčí české hory. Pokud bychom chtěli zásobovat například Prahu elektřinou z větru, tak bychom potřebovali postavit cca 1 100 větrníků o jmenovitém výkonu 3 MW (výška do špičky vrtule cca 180 m). A musí pravidelně a stále foukat vítr. Zcela obecný závěr pro Českou republiku je srozumitelný. Bez fungující a rozvinuté jaderné energetiky je dosažení uhlíkové neutrality zjevnou utopií, a to i při zcela neúměrném investování do obnovitelných zdrojů včetně větrných elektráren. Vzhledem k současným problémům s přípravou dalšího jaderného zdroje je zřejmé, že musíme uvažovat i s dalšími alternativami vývoje české energetiky v tzv. přechodném období. V rozvoji „Green Dealu“ se jeví jako další varianta tzv. „zelený vodík“. Pro jeho efektivní využití je jednou z možností metanizace – a k tomu je třeba produkce CO₂.

Technologie zachycování, ukládání a využití CO₂ (CCS) jsou v naší zemi dlouhodobě nepodporovány. Nejprogresivnějším řešením jsou metody, které dlouhodobě řeší Ústav energetiky Fakulty strojní ČVUT v Praze – zachycování CO₂ a kyslíkové technologie využívání pevných paliv (od uhlí, přes odpady až po biomasu). Ústav energetiky začal tuto problematiku řešit již před deseti lety, takže je schopen spolupracovat na nejmodernějších technologiích označovaných BECCS (Bio- energy CCS). Je v čele výzkumu (na kterém dlouhodobě spolupracuje s Norskem), jenž se prakticky rozvíjí ve Velké Británii (Drax Power Station) a intenzivně zkoumá v Holandsku, Belgii, Japonsku a v dalších zemích dosud významně závislých na uhlíkové energetice.

prof. Ing. František Hrdlička, CSc.,
Ústav energetiky Fakulty strojní ČVUT v Praze, člen Uhelné komise ČR