Biopaliva jako alternativy fosilních zdrojů v těžko elektrifikovatelných sektorech

Obnovitelné zdroje jsou na vzestupu a brzy budou zásobovat čistou elektřinou naše domácí spotřebiče, vlaky nebo pouliční lampy. Některé technologie musíme nejprve elektrifikovat: spalovací motory nahradit elektromotory, plynové kotle třeba tepelnými čerpadly. Existují však celé sektory ekonomiky, které lze elektrifikovat jen stěží. Po anglickém vzoru je nazýváme hard-to-abate.

Zjednodušeně řečeno, mezi hard-to-abate (čili těžko elektrifikovatelné) sektory patří těžký průmysl (hutnictví, slévárenství, cementárny, petrochemický průmysl) a těžká doprava (kamiony, lodě, letadla nebo vlaky na tratích bez trakce). K tomu je třeba přičíst další technologie, jako jsou záložní zdroje energie (např. dieselové agregáty), které z logiky věci elektrifikovat nelze. Jejich plynulé nahrazení ve složkách integrovaného záchranného systému, data centrech, vysílačích nebo operačních střediscích je přitom bezpečnostním zájmem státu.

Hard-to-abate sektory společně využívají vysokou energetickou hustotu a případně zvláštní chemické vlastnosti fosilních zdrojů. Stačí si představit, jak těžké je roztavit sklo bez zemního plynu nebo jak velká by musela být baterie pro pohon patnácti tunového trucku. Pokud se ovšem mají sklárny nebo přepravní společnosti fosilních paliv vzdát, potřebují alternativy, které budou mít podobné vlastnosti, aniž by to bylo na úkor jejich bezpečnosti, přepravitelnosti, ceny a samozřejmě také na úkor našich klimatických a environmentálních cílů (do no significant harm principle).

Dvě nejrozšířenější alternativy jsou biopaliva a vodík. Níže se budu věnovat pouze biopalivům. Popíšu jejich dosavadní tři generace a shrnu, o kterých je možné uvažovat při dekarbonizaci českých hard-to-abate sektorů.

Biopaliva první generace

Mezi biopaliva se řadí:

• bionafta (vzniká esterifikací rostlinných nebo řasových olejů),
• bioplyny (vznikají anaerobním rozkladem organické hmoty) a
• bioetanol (vzniká fermentací cukrů).

Biopaliva kromě toho dělíme podle generace nástupu na první, druhou a třetí generaci.
Surovinou pro výrobu biopaliv první generace je zemská biomasa, která má konkurenční využití v potravinářství, např. řepka olejná, cukrová třtina, cukrovka, kukuřice aj. Esterifikací jejich olejů lze získat bionaftu. Nízká výnosnost energetických plodin (jako je řepka) znamená, že k jejich pěstování je třeba velkých zemědělských ploch, které pak jednak tlačí na cenu půdy a tím i potravin, jednak tvoří monokultury a podkopávají biodiverzitu. Při jejich výrobě a zpracování dochází k emisi skleníkových plynů (hnojení, stroje, resp. ztráta uhlíku z půdy). V well-to-wheel analýze, tedy analýze celého životního cyklu od vypěstování po spálení, vychází biopaliva první generace v energetické bilanci hůř než paliva fosilní. Rozdíl je pouze v tom, že při spotřebě biopaliv první generace sice dochází k úniku skleníkových plynů, ty ale byly v biomase nedávno zachyceny, a tak se proces může opakovat bez rizika kumulativního znečištění spojeného s fosilními palivy. Z důvodu obecně nízké účinnosti přeměny energie, konkurence s jinými způsoby využití půdy a zátěže zemědělské půdy a krajinného rázu monokulturními plodinami nepředstavují biopaliva první generace vhodnou alternativu fosilních paliv pro hard-to-abate sektory ekonomiky.

Biopaliva druhé generace

Zdrojem biopaliv druhé generace je tzv. nepotravinářská biomasa, do níž spadají některé energetické rostliny (křídlatka, čirok, šťovík apod) a biologický odpad (typicky ze zemědělství a lesnictví, domácností a potravinářského průmyslu). Jejich účinnost přeměny bývá výrazně vyšší než u biopaliv první generace, to ale i technologická náročnost výroby. Dvěma hlavními metodami energetického využití jsou aerobní fermentace a anaerobní digesce. Český petrochemický průmysl (např. společnost UniCRE) projevil zájem o vývoj dalších biopaliv, zejména pro dálkovou nákladní dopravu, a to zkapalněním dřevní štěpky a jiného bioodpadu. S podporou rozvoje biopaliv druhé generace obecně, zejména biometanu (vyrobeného čištěním bioplynu), počítá i národní klimaticko-energetický plán.

Na potenciál energetických rostlin je třeba nahlížet s velkou rezervou, podobně jako u biopaliv první generace kvůli jejich nárokům na využití půdy. Biopaliva druhé generace mají naopak slibný výhled všude tam, kde je dostupný stabilní přísun biologicky rozložitelného a energeticky využitelného odpadu - ať už lesního (štěpka při zpracování dřeva), zemědělského nebo třeba z domácností. Lze očekávat, že zatímco lesního odpadu bude v následujících letech s dozníváním kůrovcové kalamity ubývat, ve spotřebě bioodpadu dojde při vhodně nastaveném systému sběru a poplatků k růstu s tím, jak dojde k jeho separaci od směsného odpadu a využití.

Dlužno dodat, že co možná nejvyšší orientaci na výrobu biometanu svědčí strategická potřeba českého státu vyhnout se, pokud možno, uvízlým nákladům či vysokým investicím do stávající a nové plynové infrastruktury spojeným s přechodem na obnovitelné plyny; biometan má totiž všechny vlastností zemního plynu, pročež může být do současné plynové infrastruktury vtlačován, tak jako v první takové české bioplynové stanice EFG Rapotín. Je dobře, že vláda v projednávané novele zákona o podporovaných zdrojích energie s podporou biometanu formou zeleného bonusu počítá.

Skupina EFG, jediný současný český dodavatel biometanu, odhaduje, že v České republice existuje v letech 2021–2030 potenciál pro 75 výroben s celkovou produkcí 127 mil. m3 biometanu za rok. Aniž bychom tady tento potenciál verifikovali nebo falzifikovali, jisté je, že bude do budoucna omezen produkcí odpadu (zemědělské podniky, domácnosti, jídelny, pily, dílny apod.) a kapacitou jeho zpracování a přepravy (čili kapacitou bioplynových stanic šířeji). Energetické využití bioodpadu si už v současnosti významně konkuruje s látkovým a materiálovým využitím v jiných provozech, zejména v kompostárnách, které jsou samy součástí širší dekarbonizační strategie (např. nahrazováním dusíkatých umělých hnojiv vyrobených z šedého vodíku kompostem vyrobeným anaerobní fermentací biologického odpadu). To samé však neplatí pro kompost s funkcí biopaliva (“energokompost”). Podle doc. Kočího totiž vykazuje nejnižší environmentální dopady v analýze životního cyklu (LCA) anaerobní digesce v bioplynových stanicích, zatímco anaerobní fermentace v kompostérech a kompostárnách vychází hůř. Při kompostování totiž uniká metan, oxid uhličitý a čpavkové výpary, tedy skleníkové plyny, a objevuje se riziko kontaminace půdy.

Vedle omezení v existenci stropu na vstupní složky se metan z biologického odpadu (ale i další obnovitelné plyny) bude hůř přepravovat do oblastí bez plynárenské infrastruktury. Přestože má dnes už okolo 90 % obyvatel ČR přístup k zemnímu plynu, 32 % z téměř pěti tisíc českých obcí do 1000 obyvatel plynofikováno není. Stovky kilometrů plánovaných nových plynovodů se do některých hůř dostupných sídel nedostanou a pro sídla v horských oblastech bude dřevo a dřevní štěpka nadále nejdostupnějším zdrojem energie (to už se ale dostáváme mimo téma hard-to-abate sektorů). Dodejme, že ekologicky vyrobený metan zůstává metanem, tedy 84x silnějším skleníkovým plynem, a eventualita úniku při jeho přepravě tak kromě rizika výbuchu doprovází i riziko nekontrolovaných emisí skleníkových plynů (tedy “carbon leakage” v původním smyslu slova).

Biopaliva třetí generace

V poslední době se hovoří o třetí generaci biopaliv, získávaných z vodní biomasy. Bionaftu a bioetanol můžeme v budoucnu vyrábět z řas (Algae), jejichž výhodou je rychlý růst, vysoký výnos a vysoký obsah lipidů a uhlovodíků. Lze z nich vyrábět třeba i letecké palivo, metanol nebo vodík.

Nasazení algae bionafty v dopravě, pro kterou vykazuje optimální vlastnosti, by teoreticky mohlo České republice pomoci s nahrazením zhruba 2,6 milionů tun nafty, které ročně spotřebují hard-to-abate části dopravy a přepravy. Algae bionafta sice vykazuje nižší výhřevnost než obyčejná nafta, nevyžaduje však žádnou úpravu motoru. Výzkum a vývoj algae biopaliv, do kterého se zapojuje i Ústav chemických procesů AV ČR, je však teprve na začátku a mnoho překážek bude muset být překonáno.

Řasy s optimálními vlastnostmi v prvé řadě nelze jednoduše sklidit z mořského, jezerního či říčního dna. Pěstují se buď v otevřených, nebo uzavřených nádržích. Ty otevřené jsou ale méně spolehlivé, protože závisí na množství slunečního záření, dochází u nich k odparu vody, jsou vystaveny neustálému riziku kontaminace nádrže a nelze u nich regulovat emisi dusíkatých a skleníkových plynů do atmosféry. Uzavřené nádrže, tzv. fotobioreaktory, mají v porovnání vyšší produktivitu s ohledem na kontrolované podmínky růstu. Jsou ovšem velmi nákladné na instalaci a údržbu. I proto velké testovací zařízení v komerčním měřítku zatím chybí. Laboratorní výzkum se orientuje na výběr druhu řasy s vysokým obsahem lipidů a volbu vhodné metody pro extrakci lipidů z řas.

Pro optimální růst řasy potřebují nemalé množství vody, energie, prostoru a hlavně fertilizátorů na bázi fosforu a dusíku. To jsou nejen ekonomické, ale i environmentální faktory, které budou záviset na lokalitě, designu a provozu každého zařízení. Vědci současně pracují na praktických metodikách výpočtu environmentálních dopadů pěstování řas. Investicím do velkých zařízení pro kultivaci řas by proto měla předcházet opatrná a podrobná kvantifikace dopadů. Zkušenost s biopalivy první generace potvrzuje, že orientace na jednu surovinu s ideálními vlastnostmi pro energetické účely jde ruku v ruce se ztrátou biodiverzity, druhou z planetárních mezí, které lidstvo vedle množství skleníkových plynů v atmosféře již překročilo.

Střechu Evropy v každém případě neomezuje pouze krátký čas na dekarbonizaci hard-to-abate sektorů, ale i množství vody v krajině. Algakultura by si mohla najít zajímavé uplatnění v kombinaci s čističkami odpadních vod a jinými retenčními nádržemi. Eutrofizace, čili “proces komplexních změn přirozených vod způsobený obohacováním živinami”, by jinými slovy mohla být při soustředěném úsilí v dlouhodobém horizontu proměněna z postrachu krajských hygienických stanic v optimální prostředí pro úspěšnou algakulturu. Nic však nenasvědčuje tomu, že by toto biopalivo třetí generace mohlo v krátkodobém a střednědobém horizontu zodpovídat za víc než pouhý zlomek spotřeby energie v dopravě (podobně jako dnes biosložka z řepky), a to pouze za cenu očekávatelně vysokých finančních pobídek k překlenutí vstupních investičních nákladů do technologií algakultury.

Shrnutí

Lze shrnout, že druhá generace (zejm. biometan z biologicky rozložitelného odpadu) a hypoteticky i třetí generace biopaliv mohou společně hrát nezanedbatelnou roli v dekarbonizaci hard-to-abate sektorů v České republice, více ve vytlačování fosilního zemního plynu, méně pak v nahrazování nafty algae bionaftou. Klíčová bude identifikace přesného ekologického stropu a ekonomické “podlahy”, tedy taková výroba a spotřeba biopaliv, která bude dávat ve svém rozsahu ekonomický smysl investorům, ale zároveň nepřiměřeně nezatíží ekosystémy u nás nebo v zahraničí. S vykrytím rozdílu mezi touto hodnotou a potřebami hard-to-abate sektorů může pomoci nízkoemisní vodík, jehož potenciálu se budeme věnovat v dubnovém policy paperu Asociace pro mezinárodní otázky.