Aké sú technológie dekarbonizácie priemyslu?

Priemysel významne prispieva k zmene klímy tým, že vypúšťa veľké množstvo skleníkových plynov. Zároveň je to oblasť ľudskej činnosti, ktorú je veľmi ťažké dekarbonizovať. Tento text popisuje hlavné spôsoby znižovania emisií v dôležitých výrobných odvetviach, očakávaný vývoj potrebných technológií a výzvy, ktoré bude potrebné riešiť.

Pri dekarbonizácii priemyslu bude potrebné jednak nahradiť zdroje tepelnej energie využívanej pri výrobe, jednak znížiť emisnú náročnosť výrobných procesov, čo sú často chemické reakcie. Dôležité bude tiež zachytávať emisie CO₂, ktorých zníženie zatiaľ nie je možné (obvykle preto, že nízkoemisná technológia výroby neexistuje alebo je ešte len vo vývoji).

K celkovej náročnosti priemyselnej transformácie prispievajú aj ekonomické aspekty a nutnosť vybudovať či upraviť rozsiahlu infraštruktúru, bez ktorej nie je možné zaviesť nové palivá a technológie.

Akými spôsobmi je možné priemysel dekarbonizovať?

Pre celý sektor existujú tri hlavné metódy:

V obmedzenej miere môžu so znížením emisií pomôcť aj tieto doplnkové metódy:

Hlavné metódy

Zachytávanie CO₂ (CCS)

Proces zachytávania CO₂ sa označuje skratkou CCS (Carbon Capture and Storage). Zachytený CO₂ je následne prepravený a uložený do geologických štruktúr, napríklad do vyťažených ložísk zemného plynu a ropy či do hlboko uložených geologických vrstiev obsahujúcich slanú vodu. Teoreticky je možné zachytený CO₂ aj priemyselne využiť, do budúcna sa však očakáva, že väčšina sa bude ukladať.¹

Táto technológia sa na využitie v dekarbonizácii priemyslu hodí najmä v prípadoch, keď chemické reakcie, pri ktorých vzniká CO₂, nie je možné priamo nahradiť alebo sa nedá výrazne znížiť ich emisnú náročnosť. Príkladom môže byť proces kalcinácie (žíhania) pri výrobe cementu, kedy sa uhličitan vápenatý (CaCO₃) mení na oxid vápenatý (CaO), pri čom sa uvoľňuje oxid uhličitý (CO₂). Bez tohto chemického procesu sa zatiaľ výroba cementu nezaobíde, nezostáva teda nič iné, než uvoľnený oxid uhličitý zachytiť.

Projekty zachytávania CO₂ často cielia na zachytenie 90 % emisií CO₂ danej priemyselnej prevádzky (čím viac sa blížime k 100 % záchytu, tým viac sa proces zdražuje a komplikuje²). V praxi sú už otestované rôzne spôsoby záchytu, v dnešnej dobe však nie sú v priemysle príliš bežné. Väčšiemu využitiu bránia predovšetkým pomerne vysoké finančné náklady na inštaláciu a prevádzku zachytávacieho zariadenia. K tomu sa pridáva skutočnosť, že zatiaľ nie je vybudovaná dostatočne rozsiahla infraštruktúra, ktorá by umožnila následný transport a uloženie či spracovanie CO₂. Do budúcnosti tak musia najmä byť pripravené podzemné úložiská pre zachytený CO₂. Je tiež dôležité dodať, že proces záchytu CO₂ je energeticky náročný.³

Napriek tomu sa CCS javí v prípade mnohých výrobných procesov v priemysle ako možné a efektívne riešenie, ktoré má potenciál využitia vo veľkom meradle do budúcnosti.

Zelený vodík

Môže nahradiť fosílne palivá, ktoré sa v priemysle spaľujú kvôli dodaniu tepla. Jeho použitie je vhodné najmä v situáciách, kedy je nutné dosiahnuť veľmi vysoké teploty (napr. pri výrobe železa to je okolo 1500 °C⁴ alebo viac). Zároveň môže v niektorých prípadoch slúžiť ako náhrada vstupných surovín, ktoré sa používajú pri chemických reakciách počas priemyselných procesov – napr. pri výrobe amoniaku by sa mohol používať zelený vodík namiesto vodíka produkovaného pomocou fosílnych palív alebo ako náhrada koksu pri redukcii železnej rudy.

Dá sa preto očakávať, že zelený vodík bude pri dekarbonizácii priemyslu zohrávať kľúčovú úlohu. Miera jeho využitia bude však značne závislá od vývoja jeho ceny – tá je zatiaľ príliš vysoká. Platí to obzvlášť v porovnaní s cenou fosílnych palív, ktoré môže zelený vodík nahradiť.

V súčasnosti sa celosvetovo 95 % vodíku na priemyselné využitie vyrába zo zemného plynu,⁵ o jeho nízkej emisnej intenzite teda zatiaľ nemožno hovoriť. To by sa však mohlo zmeniť, ak sa vodík bude vyrábať vo veľkom meradle s využitím obnoviteľnej elektrickej energie. Takýto vodík sa nazýva zelený a považuje sa za jednu z hlavných metód dekarbonizácie priemyslu. Treba však dodať, že na dekarbonizáciu priemyslu touto cestou by bolo potrebné obrovské množstvo zeleného vodíka, čo by si vyžadovalo naozaj výrazné zvýšenie výroby elektriny z obnoviteľných zdrojov.⁶

Okrem toho bude potrebné vybudovať špeciálnu infraštruktúru potrebnú na prepravu vodíka – po prvé, aby sa minimalizoval jeho možný únik (keďže je horľavý a výbušný, podobne ako zemný plyn), a po druhé, preprava vodíka je vzhľadom na jeho fyzikálne vlastnosti podstatne zložitejšia ako preprava zemného plynu (vodík má nízku objemovú hustotu energie, a preto zaberá pomerne veľký objem, čo komplikuje proces stláčania). Ak by sme chceli vodík skvapalniť, museli by sme ho ochladiť na -253 °C⁷ (na skvapalnenie zemného plynu stačí teplota -161,5 °C⁸).

Ministerstvo hospodárstva SR vypracovalo Národnú vodíkovú stratégiu (NVS) do roku 2050, ktorú vláda schválila v lete 2021 a v júni 2023 bola prijatá prvá časť akčného plánu jej realizácie do roku 2026. NVS predpokladá, že do roku 2050 využijeme 400 až 600 kiloton vodíka ročne. Domácu spotrebu by mal podľa tejto stratégie pokryť vodík vyrobený pomocou elektrickej energie z rezerv jadrových elektrární alebo spaľovaním zemného plynu s využitím CCS technológií, biomasy či komunálneho netriedeného odpadu. Bude však záležať na tom, či v budúcnosti bude takto vyrobený vodík konkurencieschopný v porovnaní so zeleným vodíkom, ktorý by mohol byť lacnejší.

Je možné očakávať, že sa CCS a vodík v budúcnosti významne rozšíria?

Zachytávanie CO₂ aj využitie vodíka sú v súčasnosti nákladné riešenia, ktoré nie sú ani zďaleka tak rozšírené, ako by bolo potrebné na dekarbonizáciu priemyslu. To sa môže v budúcnosti zmeniť, keď sa tieto technológie budú ďalej rozvíjať, náklady na ich používanie budú klesať a zároveň porastie súvisiaci trh. K zníženiu nákladov by malo prispieť aj postupné dosahovanie úspor z rozsahu, t. j. zlacňovanie produktu vďaka tomu, že sa ho vyrába viac a existuje už oveľa viac skúseností s budovaním a prevádzkou potrebných zariadení (podobný vývoj sme zaznamenali v posledných dvoch desaťročiach napríklad v oblasti obnoviteľných zdrojov energie).

Pokiaľ dôjde k zníženiu nákladov a k vybudovaniu súvisiacej infraštruktúry, výrazne to pomôže pri dekarbonizácii priemyslu. Na druhú stranu existuje aj riziko, že táto infraštruktúra nebude vznikať dostatočne rýchlo alebo že úspory z rozsahu budú obmedzené a vodík aj CCS zostanú ekonomicky nedostupné.

Elektrifikácia

Spaľovanie v priemysle je možné čiastočne nahradiť aj využitím elektriny – na dodanie potrebného tepla. Toto riešenie je však vhodné skôr pri nižších teplotách, napríklad v papierenskom priemysle, kde obvykle stačia teploty v rozmedzí 50 – 250 °C.⁹

V niektorých odvetviach však výroba vyžaduje také vysoké teploty, že je tu elektrifikácia technicky veľmi zložitá a zároveň značne neekonomická. Typickým príkladom je cement, pri ktorého produkcii je potrebné dosiahnuť teploty v rozmedzí 1300 – 1450 °C.¹⁰ V takýchto prípadoch prichádza do úvahy použitie hybridného zariadenia, ktoré na dosiahnutie uvedených teplôt využíva elektrinu a (napríklad) zemný plyn. Takéto hybridné pece nachádzajú uplatnenie napríklad v sklárskom priemysle.¹¹

Pri elektrine zároveň záleží na jej emisnej intenzite. Pokiaľ je vyrobená z fosílnych palív, nemusí vychádzať nahradenie týchto palív pri priemyselnom spaľovaní z hľadiska emisií lepšie. V prípade, že dôjde k rozvoju nízkoemisných zdrojov elektriny, tento problém sa vyrieši a elektrifikácia môže k znižovaniu priemyselných emisií významne prispieť.

Doplnkové metódy

Patrí medzi ne recyklácia, využívanie biomasy a odpadov na vykurovanie, rôzne náhrady surovín alebo využívanie alternatívnych produktov, ako aj úspory vďaka zvyšujúcej sa efektivite.

Pri dekarbonizácii priemyslu môže do určitej miery pomôcť aj vedecký a technologický pokrok – môžu sa napríklad objaviť nové, účinnejšie technológie alebo postupy. Na to sa však nemožno príliš spoliehať. V priemyselných odvetviach, v ktorých je dekarbonizácia najväčšou výzvou, takýto výskum a vývoj prebieha už mnoho rokov. Nové technológie a postupy tak budú mať skôr podobu drobných zlepšení a pravdepodobnosť radikálnych zmien nie je veľká.

Recyklácia

V mnohých priemyselných odvetviach sa v súčasnosti už využíva relatívne vysoká miera recyklácie, aspoň v rozvinutých krajinách. Napríklad v prípade hliníka dosahuje v EÚ recyklácia 76,3 %.¹² Takže aj keď v niektorých sektoroch¹³ ešte určité zníženie emisií vďaka recyklácii možné je, priestor pre ďalší výrazný posun v tomto smere je často už obmedzený. Navyše recykláciu často paradoxne limituje aj dlhá životnosť niektorých produktov (platí napríklad pri výrobkoch z ocele).

Okrem toho recyklovaný materiál môže byť náročnejší na spracovanie alebo má obmedzenú využiteľnosť, niekde sa teda jeho zber a znovupoužitie zatiaľ ekonomicky alebo dokonca ani emisne nevypláca.

Využitie odpadov a biomasy ako palív

V súčasnej dobe už funguje mnoho podnikov, ktoré čiastočne využívajú odpad alebo biomasu, takže ani tu často nie je veľký priestor na zlepšenie. V konkrétnych prípadoch niektorých prevádzok (napr. u cementární) môže byť takýto postup výhodný ekonomicky aj pre prírodu, ale zďaleka ho nemožno uplatniť všade. Po prvé, nie je to technicky možné a po druhé, skutočne veľký prechod by čoskoro viedol k problému nedostatku vhodného odpadu a environmentálne udržateľnej biomasy. Okrem toho veľká časť uhlíka v spaľovanom odpade (vo forme takzvaných tuhých alternatívnych palív) je fosílneho pôvodu, takže jeho využívanie neprináša výrazné zníženie emisií.¹⁴ Navyše ani spaľovanie biomasy nemusí mať takú nízku uhlíkovú stopu, ako sa často prezentuje.¹⁵

Náhrada surovín či produktu šetrnejšou alternatívou

O nahradení jednotlivých častí výrobného reťazca sa dá uvažovať najmä v dvoch rovinách:

• Substitúcia vstupných surovín, z ktorých vyrábame. Plasty nemusia byť z ropných produktov, ale z biomasy; slinok (dôležitý medziprodukt pri výrobe cementu) je možné sčasti nahradiť odpadovými materiálmi z iných odvetví a podobne.
• Použitie alternatívy za výsledný produkt. Namiesto betónu a ocele sa v stavebníctve môže viac používať drevo a plastové obaly sa môžu na mnohých miestach nahradiť sklom alebo papierom.

Nahradenie primárnych zdrojov je považované za súčasť možných riešení, ale pomôže len pri relatívne malom percente emisií alebo je spojené s inými problémami (napr. odlišné vlastnosti konečného výrobku). Vo väčšine prípadov sa alternatívy k základnej surovine alebo k reakčnému katalyzátoru hľadajú veľmi ťažko. Napríklad cement, ako ho poznáme dnes, sa nedá vyrobiť bez vápenca.

Pri úvahách o alternatíve konečného produktu (typicky plasty) býva jedinou možnou náhradou často výrobok z iného priemyselného odvetvia, ktoré je tiež potrebné dekarbonizovať. Pri náhrade prírodnými alternatívami (či už ide o surovinu alebo výrobok) je zase potrebné vziať do úvahy, že množstvo nie je a nebude neobmedzené či už v prípade kvalitného dreva, alebo inej biomasy.

Zvyšovanie efektivity a prevádzkové úspory

Mnohé priemyselné odvetvia už pokročili v oblasti zvyšovania efektivity a maximalizácie prevádzkových úspor. Každý ďalší krok na zvýšenie efektivity teda znamená oveľa menšie zlepšenie ako predtým. V minulosti ale nebolo úsilie o optimalizáciu priemyselných procesov motivované snahou o dekarbonizáciu, často išlo skôr o úspory z ekonomických dôvodov. Napriek tomu v priemysle stále existuje určitý priestor na ďalšiu optimalizáciu, najmä v celosvetovom meradle (existujú veľké rozdiely napríklad medzi priemyslom v západnej Európe a v Číne).

Pomohlo by, keby ľudia znížili svoju spotrebu?

V súvislosti s dekarbonizáciou a priemyselnou transformáciou sa často objavujú otázky týkajúce sa celkového zníženia spotreby. Vzhľadom na neustále rastúcu a urbanizujúcu sa svetovú populáciu a fungovanie systému, ktorý je založený na ekonomickom raste¹⁶, sú rozsiahlejšie úspory v spotrebe v najbližších desaťročiach nepravdepodobné. Naopak, v kľúčových priemyselných odvetviach očakávame nárast globálneho dopytu až o desiatky percent (platí napr. pre oceľ, cement, hliník a amoniak).¹⁷

Okrem toho sa dá v súvislosti s dekarbonizáciou priemyslu uvažovať o zavedení princípov cirkulárnej ekonomiky. Zatiaľ čo v tradičnom (lineárnom) ekonomickom modeli sa produkt vyrobí, použije a nakoniec vyhodí ako odpad, v cirkulárnej ekonomike ide o čo najefektívnejšiu prácu so zdrojmi a materiálmi a následne o ich recykláciu a opätovné použitie v čo najväčšej miere. Nejde len o zlepšenie už spomínaného procesu recyklácie, ale aj o snahu navrhnúť produkt tak, aby vydržal dlhšie, aby sa dal používať opakovane, prípadne o zavedenie systémov umožňujúcich zdieľané využívanie produktov (napr. áut či bicyklov), ktoré prispievajú k tomu, že sa vyrába menej. Inými slovami: cieľom využívania cirkulárnych princípov je minimalizovať odpad, znížiť tlak na obmedzené zdroje a vytvoriť udržateľnejšiu a odolnejšiu ekonomiku. Tento prístup postupne získava popularitu, a to aj preto, že môže znížiť náklady na zdroje a energiu, znižovať emisie skleníkových plynov a má mnohé ekonomické a sociálne prínosy. Jeho hlavné uplatnenie však býva skôr v segmente koncových výrobkov (napr. oblečenie, autá alebo stavebníctvo) – oveľa ťažšie je uplatniť tieto princípy priamo pri výrobe základných priemyselných surovín, ako je oceľ (kde je miera recyklácie už veľmi vysoká). Koncepcia cirkulárnej ekonomiky preto môže byť užitočná pri znižovaní dopytu po základných priemyselných surovinách, má však svoje limity.¹⁸

Aké trhové a regulačné nástroje môžu dekarbonizáciu podporiť?

Dekarbonizácii priemyslu by veľmi pomohli aj ekonomické stimuly, systematická podpora a vytvorenie vhodného legislatívneho prostredia. V Európskej únii to môže byť Priemyselný plán Zelenej dohody¹⁹, v USA Inflation Reduction Act – oba podporujú dekarbonizáciu priemyslu napríklad prostredníctvom finančných stimulov pre CCS či vodík.

V EÚ je tiež v pláne používať mechanizmus uhlíkového vyrovnania na hraniciach (CBAM), čo je v podstate uhlíkové clo. Prečo bude potrebné ho zaviesť? Dekarbonizácia priemyslu je nákladný proces, ktorý často povedie k zdraženiu výsledného produktu. Hrozí tak, že európske firmy, ktoré sa transformovali skôr ako firmy inde vo svete, by zrazu neboli vo vnútri EÚ²⁰ konkurencieschopné. Navyše musia ešte pokryť svoje emisie kvótami v systéme EU ETS. Preto je v rámci uhlíkového vyrovnania vypočítaná uhlíková intenzita daného produktu a ak niekto dováža tento tovar z krajín mimo EÚ, bude si musieť zakúpiť certifikát, čím sa cena dorovná na porovnateľnú cenu produktu vyrobeného v Únii.

Okrem toho existuje aj koncept takzvaných advance market commitments (predbežné trhové záväzky), čo sú záväzky určitej firmy, že v budúcnosti nakúpi konkrétne produkty spojené s dekarbonizáciou. Napríklad do nejakého roku zaplatí za kredity spojené s odstránením CO₂ z atmosféry²¹ alebo sa zaviaže k zakúpeniu nízkoemisného priemyselného produktu (napríklad „zelenej“ ocele). Keďže je vývoj týchto technológií veľmi drahý a spočiatku nekonkurencieschopný, dáva systém predbežných trhových záväzkov väčšiu záruku návratnosti investície firmám, ktoré tieto nové technológie vyvíjajú – vopred vedia, že majú do budúcnosti zaistených odberateľov.

Záver

Z predchádzajúcich kapitol vyplýva, že aj keď ide o náročný proces, priemysel je možné dekarbonizovať.

Hlavnými technológiami dekarbonizácie sú CCS a vodík, bude však nutné ich výrazne rozšíriť a vybudovať pre nich potrebnú infraštruktúru, aby boli cenovo dostupnejšie. Kľúčová je tiež elektrifikácia priemyslu, tá ale závisí aj na dekarbonizácii samotnej výroby elektriny. Medzi doplnkové nástroje patrí zvyšovanie efektivity, recyklácia, využitie odpadov a biomasy v rámci spaľovania a rôzne formy nahradzovania surovín či používaných produktov.

Pretože nemožno čakať, že výrazne klesne dopyt po základných typoch priemyselného tovaru, a zároveň je priemysel výrazným zdrojom emisií, je naozaj dôležité podporiť práve dekarbonizáciu priemyslu. Musí vznikať ambiciózna legislatíva a na ňu naviazaná výrazná finančná podpora a je tiež potrebné zabezpečiť konkurencieschopnosť transformujúcich sa priemyselných sektorov. V neposlednom rade je nevyhnutné, aby jednotlivé odvetvia priemyslu v rámci dekarbonizácie viac spolupracovali, napríklad prostredníctvom zdieľania svojej infraštruktúry.

Zdroje a poznámky