Dekarbonizace chemického průmyslu

collections/_explainers/dekarbonizace-chemicky-prumysl.md

@@ -0,0 +1,161 @@
+---
+layout:      explainer
+title:       "Jak dekarbonizovat chemický průmysl a rafinaci ropy?"
+slug:        "dekarbonizace-chemicky-prumysl"
+published:   2023-08-29
+authors:
+  - id: "adam-bilek"
+  - id: "jirka-lnenicka"
+    minor-role: "editace"
+  - name: "Oldřich Sklenář"
+    affiliation: Asociace pro mezinárodní otázky
+    minor-role: "konzultace"
+
+weight:      74
+tags-scopes: [  ]
+tags-topics: [  ]
+cover-source-author:        "Jacinta Quesada"
+cover-source-text:          "Wikimedia"
+cover-source-license:       "Wikimedia License"
+cover-source-license-url:   "https://foundation.wikimedia.org/wiki/Policy:Terms_of_Use"
+cover-source-url:           "https://commons.wikimedia.org/wiki/File:FEMA_-_37677_-_Aerial_of_a_Louisiana_oil_refinary_repaired_since_Katrina.jpg"
+perex:       "Amoniak, petrochemikálie a F-plyny. Tyto emisně náročné produkty chemického průmyslu jsou navzdory tomu, že jsou často méně známé než jiné průmyslové produkty, klíčové pro fungování moderní společnosti. Do chemického průmyslu také patří rafinovaná ropa. Cest k dekarbonizaci je mnoho vzhledem k pestrosti chemického průmyslu."
+---
+
+{% include preview-box.html
+    title="Jaké jsou technologie dekarbonizace průmyslu?"
+    text="Detailnější pohled na technologie dekarbonizace průmyslu nabízí náš přehledový text."
+    slug="technologie-dekarbonizace-prumyslu"
+%}
+
+Ropa, zemní plyn a uhlí se rozhodně nepoužívají jen v energetice a dopravě. Vyrábí se z nich plasty, léky, hnojiva, oblečení a spoustu dalších produktů, bez nichž se aktuálně lidstvo neobejde. Fosilní produkty tak tvoří jádro emisně náročného chemického průmyslu. Emisně náročné jsou také méně známé F-plyny, které nahradily dříve používané freony. Kvůli pestrosti produktů chemického průmyslu existuje mnoho cest k dekarbonizaci: nízkoemisní vodík, zachytávání CO<sub>2</sub>, elektrifikace, substituce za méně emisně náročné produkty i snižování spotřeby.
+
+*Následující text představuje různé možnosti dekarbonizace chemického průmyslu a opírá se o studie průmyslových asociací či konzultačních firem. Nepopisuje jedinou možnou cestu, neboť přesné poměry použitých technologií budou záviset na budoucím vědeckém vývoji, ekonomické situaci i regionálních rozdílech. Spíše ukazuje, u kterých technologií je už dnes zjevné, že budou hrát při dekarbonizaci hlavní úlohu, a které naopak budou spíše vedlejší.*
+{: .longread-small}
+
+## Amoniak
+
+Výroba amoniaku představuje něco kolem 2 % světových emisí CO<sub>2</sub>.[^amoniakpetrosplit] 70 % veškerého amoniaku používáme při výrobě hnojiv, zbylých 30 % připadá na jiné průmyslové využití například při produkci výbušnin či v rámci chemického průmyslu.[^amoniak] Amoniak v hnojivech je naprosto klíčový a podle některých odhadů bychom dovedli bez amoniaku nasytit pouze polovinu lidstva.[^ammoniareport]
+
+Očekávaný růst poptávky po amoniaku je až o 150 % do roku 2050.[^poptavkamoniak] Růst poptávky je spojen jednak s růstem spotřeby hnojiv na produkci potravin v důsledku rostoucí populace a změny stravovacích návyků (například rostoucí spotřeba masa), ale zejména s využitím amoniaku v lodní dopravě a při skladování vodíku.
+
+Dnes je většina amoniaku produkována tzv. Haber-Boschovým procesem, při kterém se atmosférický dusík přeměňuje na výslednou surovinu prostřednictvím reakcí s vodíkem. Kolem 60 % emisí pochází ze spalování a 40 % z chemických reakcí.[^iea] 
+
+Přes 70 % amoniaku dnes vyrábíme z takzvaného šedého vodíku ze zemního plynu. Takto vyrobený amoniak má emisní intenzitu okolo 1,8 tun CO<sub>2</sub> na tunu amoniaku. Zbytek amoniaku primárně vyrábíme převážně z vodíku produkovaného z uhlí, který má emisní intenzitu 3,2 tun CO<sub>2</sub> na tunu amoniaku. Pokud bychom tyto emise zachytávali prostřednictvím CCS či amoniak vyráběli ze zelého vodíku z obnovitelných zdrojů, byly by přímé emise výroby amoniaku nízké či zanedbatelné v závislosti na druhu vodíku.[^amoniakiea] 90 % dnešních emisí z výroby amoniaku je v důsledku výroby potřebného vodíku.[^ammoniareport] 
+
+V současné době za každou tunu amoniaku vypustíme do atmosféry 2 tuny CO<sub>2</sub>.[^amoniakintenzita]
+
+### Dekarbonizace výroby vodíku
+
+Hlavním cestou dekarbonizace je využití nízkoemisního vodíku, zejména zeleného vodíku vyráběného z elektřiny pocházející z obnovitelných zdrojů. Vzhledem k již existujícímu napojení výroben amoniaku na infrastrukturu se zemním plynem se jako možnost také jeví využití modrého vodíku, tedy vodíku produkovaného ze zemního plynu kde se emise CO<sub>2</sub> zachytí a uloží. Zachycení až dvou třetin emisí tímto způsobem se jeví jako relativně levné a jednoduché řešení, ovšem navýšení míry zachyceného CO2 se po této úrovni začíná výrazně prodražovat.[^ammoniareport]
+
+Příklady studií a scénářů dekarbonizace amoniaku:
+- Innovation for Cool Earth Forum: [Low-Carbon Ammonia Roadmap](https://www.icef.go.jp/pdf/summary/roadmap/icef2022_roadmap_Low-Carbon_Ammonia.pdf)
+- World Economic Forum: [Net Zero Industry Tracker 2022 Edition](https://www3.weforum.org/docs/WEF_NetZero_Industry_Tracker_2022_Edition.pdf)
+- International Energy Agency: [Ammonia Technology Roadmap](https://iea.blob.core.windows.net/assets/6ee41bb9-8e81-4b64-8701-2acc064ff6e4/AmmoniaTechnologyRoadmap.pdf)
+
+### Vedlejší metody
+
+Je vysoce pravděpodobné, že amoniak budeme nadále vyrábět Haber-Boschovým procesem. Probíhají výzkumy například na přímou produkci amoniaku z vody a dusíku za použití elektřiny, ale jde primárně o výrobu ve velmi malém objemu v laboratorním prostředí. Realističtější cesta je spíše zefektivňování existujícího procesu.
+
+**Nové katalyzátory** - Cestou k částečnému snížení emisní stopy amoniaku mohou být nové katalyzátory v rámci aktuálně používaného výrobního procesu. V této oblasti probíhají slibné výzkumy jak redukovat potřebnou teplotu a tlak a tím i energetickou náročnost tohoto procesu.[^tlak]
+
+## Rafinace ropy
+
+Rafinace ropy vypouští 5 % globálních skleníkových plynů.[^emiseropa] Jedná se ovšem pouze o přímé emise při rafinaci, následné využití ropy v dopravě uvolňuje násobně více emisí skleníkových plynů. Během rafinace se surová ropa rozděluje na různé složky, jako jsou benzín, nafta, topné oleje a maziva. 
+
+V EU je 65 % ropy spotřebováno v dopravě. 25 % je použito například na topné oleje, lubrikanty, asfalt apod. Zbylých 10 % je využito v rámci chemického průmyslu, například při výrobě petrochemikálií.[^ropapouziti] 
+
+Do budoucna bude klesat spotřeba ropy v dopravě, ovšem poptávka po ropě v petrochemickém průmyslu bude růst. Odhady poklesu spotřeby ropy do roku 2050 se pohybují v rozmezí 25-80 %. [^ropademand]
+
+Přibližně dvě třetiny emisí pochází ze spalování a zbylou třetinu mají na starost chemické procesy kdy se jedná převážně o proces krakování a výrobu vodíku.[^emiserafinace]
+
+### Pokles spotřeby
+
+Ropa je jedním z mála základních průmyslových produktů, u kterého lze čekat větší pokles spotřeby. V závislosti na reálném poklesu spotřeby se tak může jednat o hlavní způsob snížení emisí skleníkových plynů v dlouhodobém horizontu. Spotřeba ropy ovšem bude klesat spíše postupně a proto do té doby musíme využít i jiná technologická řešení.
+
+Příklady studií a scénářů dekarbonizace rafinace ropy:
+- Sunny et al.: [A Pathway Towards Net-Zero Emissions in Oil Refineries](https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fceng.2022.804163/full)
+- World Economic Forum: [Net Zero Industry Tracker 2022 Edition](https://www3.weforum.org/docs/WEF_NetZero_Industry_Tracker_2022_Edition.pdf)
+- World Resources Insitute: [Technological Pathways for Decarbonizing Petroleum Refining](https://www.wri.org/research/technological-pathways-decarbonizing-petroleum-refining)
+
+
+### Vedlejší metody
+
+Jelikož ropu budeme využívat i nadále, byť v menším objemu, je nutné dekarbonizovat zbylou výrobu.
+
+* **Zachytávání CO<sub>2</sub>** - CCS bylo historicky rozvíjeno nejvíce právě ropným průmyslem. Výhodou využití CCS v rafinériích tak může být využití expertízy ropných firem v této oblasti. Zařízení na zachytávání CO<sub>2</sub> může odstranit 90-95 % emisí skleníkových plynů daného provozu.[^mit]
+
+* **Náhrada fosilních paliv při spalování** - Jelikož většina emisí při rafinaci vzniká v důsledku spalování fosilních paliv, jejich náhrada může být transformačním řešením. Zejména se jedná o využití vodíku, elektrifikaci a do menší míry i možné využití biomasy. 
+
+* **Zvyšování efektivity** - Výhodou zvyšování efektivity stávajících rafinérii je finanční výhodnost. Může se jednat o 5-10 % celkového poklesu emisí z rafinace.[^rafinerieefektivita]
+
+## Petrochemikálie
+
+Přímé emise z výroby petrochemikálií představují 2 % světových emisí skleníkových plynů.[^amoniakpetrosplit] Takzvané petrochemikálie označují chemikálie vyráběné z fosilních zdrojů - tedy ropy, zemního plynu a uhlí. Z petrochemikálií se vyrábí všechno možné od plastů, přes pneumatiky až po čisticí prostředky. Produkty petrochemického průmyslu jsou také metanol, ethylen, propylen, toluen, benzen a xyleny, které jsou následně dále hojně využívány v chemickém průmyslu.
+
+Snižování spotřeby petrochemického průmyslu bude obzvláště složité. Například u některých klíčových plastů lze očekávat zvýšení poptávky o 55 %, a to i přes úspory v rozvinutém světě, které budou daleko menší než pravděpodobný nárůst v rozvíjejících se zemích.[^iea] 
+
+Převládajícím zdrojem emisí je tomto sektoru z 85 % spalování tepla. Zbylých 15 % můžeme řadit mezi procesní emise[^iea], kde jde primárně o proces krakování, kde dochází k tepelnému rozkladu uhlovodíků, který umožňuje jejich další zpracování.
+
+### Zachytávání CO<sub>2</sub> a elektrifikace
+
+Podle BloombergNEF hlavní metodou dekarbonizace petrochemického průmyslu by mělo představovat CCS s 40 procentní úsporou vypouštěných skleníkových plynů.[^dekarbonizacepetro] 
+
+Dalším důležitým krokem je elektrifikace (především krakovacího procesu), která by měla pomoci 35 % snížením emisí.[^dekarbonizacepetro] V současné době jde spíše o prototypy jelikož elektrifikace je obtížná zejména při vyšších teplotách nutných pro výrobu. V případě úspěchu by elektrifikace procesu krakování mohla odstranit až 95 % emisí CO<sub>2</sub> výrobního provozu a potenciál úspor je tak velký.[^elektrifikacekrakovani]
+
+Příklady studií a scénářů dekarbonizace petrochemikálií:
+- BloombergNEF: [$759 Billion Required for a Net-Zero Petrochemicals Sector by 2050](https://about.bnef.com/blog/759-billion-required-for-a-net-zero-petrochemicals-sector-by-2050/)
+- International Energy Agency: [The Future of Petrochemicals](https://iea.blob.core.windows.net/assets/bee4ef3a-8876-4566-98cf-7a130c013805/The_Future_of_Petrochemicals.pdf)
+- Lund University: [Petrochemicals and Climate Change](https://lucris.lub.lu.se/ws/portalfiles/portal/117494791/Petrochemicals_climate_change_review_web.pdf)
+
+### Vedlejší metody
+
+* **Recyklace** - Se snížením produkce plastů může pomoct recyklace již vyrobených plastů. Aktuálně pouze 6 % plastů, které dnes výrábíme, pochází z recyklovaného materiálu. V EU je toto číslo 10 %.[^recyklaceplasty] Většina plastů stále skončí na skládkách či skončí ve spalovnách. Do budoucna je nutné jednak zlepšit třídící linky na plasty, ale zároveň i navrhovat plastové produkty tak aby byly jednodušeji recyklovatelné. Bariérou je v současné době i fakt, že produkce nových plastů je levnější než recyklace.
+
+* **Bioplasty** - Plasty je možné vyrábět i z biomasy, například z rostlinných olejů, škrobu či dřevní štěpky. Bioplasty jsou méně emisně náročné, ovšem mohou se potýkat s problémy s dodávkami udržitelné biomasy, zabíráním plochy pro pěstování potravin, obtížnou recyklací a vysokou cenou oproti konvenčním plastům. Z těchto důvodů se očekává, že bioplasty budou pouze částečnou náhradou. 
+
+## F-plyny
+
+F-plyny jsou velmi silné skleníkové plyny, které tvoří 2 % globálních emisí skleníkových plynů.[^f-plyny] Jedná se o náhražky za freony a další látky, které se dříve používaly převážně v chladících zařízeních (ledničkách, klimatizacích atp.), ale po prokázání jejich negativního účinku na ozonovou vrstvu se v 80. letech podařilo v rámci tzv. Montrealského protokolu dosáhnout celosvětové dohody o jejich zákazu. Postupně byly nahrazovány zejména takzvanými F-plyny, které sice nepoškozují ozonovou vrstvu, ale jejich účinek z hlediska potenciálu globálního oteplování je mnohem větší než u CO<sub>2</sub>. 
+
+Nejsilnější F-plyn je SF<sub>6</sub> (fluorid sírový), který je na jednu molekulu až 22800 krát silnější v porovnání s CO<sub>2</sub>.[^hfc32] Už řádově menší koncentrace tak stačí, aby představovaly problém. U F-plynů není náročná přímo výroba produktů ve kterých se vyskytují, ale emise skleníkových plynů vznikají primárně tím, že se uvolňují během užívání. 
+
+Spotřeba F-plynů může do budoucna výrazně růst i v důsledků adaptace i mitigace změny klimatu. Používají se totiž v klimatizacích, tepelných čerpadlech, transformátorech, rozvaděčích, ale i v elektromobilech.
+
+### Substituce
+
+Příklady studií a scénářů dekarbonizace F-plynů:
+- Climate Change Committee: [F-gases](https://www.theccc.org.uk/wp-content/uploads/2020/12/Sector-summary-F-gases.pdf)
+- Sovacool et al. [Climate change and industrial F-gases: A critical and systematic review of developments, sociotechnical systems and policy options for reducing synthetic greenhouse gas emissions](https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S136403212100054X)
+
+Ve snaze minimalizovat škody existují plány na nahrazování nejsilnějších F-plynů těmi slabšími. Cílem je například nahradit SF<sub>6</sub>, který se v elektrotechnickém průmyslu používá jako izolant, slabšími F-plyny.
+
+Pro srovnání uveďme, že za nejlepší náhradu silnějších F-plynů se považuje HFC-32 (difluormethan), jehož potenciál globálního oteplování je “jenom” 675 krát silnější než v případě CO<sub>2</sub>.[^hfc32] Podle projekcí by se HFC-32 měl stát dominantním F-plynem do roku 2040.[^dominantplyn] 
+
+V určitých případech se nabízí i substituce jinými látkami. Jako vhodní kandidáti se jeví amoniak, uhlovodíky či CO<sub>2</sub>. 
+
+Důležité i v případě těchto náhrad je, aby po skončení životnosti daného produktu nedocházelo vlivem nevhodného zacházení k následnému úniku plynů do atmosféry.
+
+## Zdroje a poznámky
+
+[^amoniak]: [World Economic Forum, 2022: Net Zero Industry Tracker 2022 Edition](https://www3.weforum.org/docs/WEF_NetZero_Industry_Tracker_2022_Edition.pdf)
+[^amoniakintenzita]: [Yale Environment, 2021: Can the World’s Most Polluting Heavy Industries Decarbonize?](https://e360.yale.edu/features/can-the-worlds-most-polluting-heavy-industries-decarbonize)
+[^emiserafinace]: [World Resources Insitute, 2021: Technological Pathways for Decarbonizing Petroleum Refining](https://www.wri.org/research/technological-pathways-decarbonizing-petroleum-refining)
+[^tlak]: [Department of Energy, 2021: Novel Catalyst Means Ammonia Synthesis with Less Heat and Pressure](https://www.energy.gov/science/bes/articles/novel-catalyst-means-ammonia-synthesis-less-heat-and-pressure)
+[^dekarbonizacepetro]: [BloombergNEF, 2022: $759 Billion Required for a Net-Zero Petrochemicals Sector by 2050](https://about.bnef.com/blog/759-billion-required-for-a-net-zero-petrochemicals-sector-by-2050/)
+[^iea]: [International Energy Agency, 2018: The Future of Petrochemicals](https://iea.blob.core.windows.net/assets/bee4ef3a-8876-4566-98cf-7a130c013805/The_Future_of_Petrochemicals.pdf)
+[^hfc32]: [Government of the United Kingdom: Calculate the carbon dioxide equivalent quantity of an F gas](https://www.gov.uk/guidance/calculate-the-carbon-dioxide-equivalent-quantity-of-an-f-gas). U výpočtů [potenciálu globálního oteplování](https://en.wikipedia.org/wiki/Greenhouse_gas#Global_warming_potential) záleží i na zvoleném časovém horizontu. Některé F-plyny jako například SF<sub>6</sub> mají velmi dlouhou životnost trvající tisíce let, zatímco například HFC-32 má životnost pět let. 
+[^dominantplyn]: [Climate Change Committee: F-gases](https://www.theccc.org.uk/wp-content/uploads/2020/12/Sector-summary-F-gases.pdf)
+[^amoniakpetrosplit]: [Royal Society, 2020: Ammonia: zero-carbon fertiliser, fuel and energy store](https://royalsociety.org/-/media/policy/projects/green-ammonia/green-ammonia-policy-briefing.pdf) a [Lund University, 2022: Petrochemicals and Climate Change](https://lucris.lub.lu.se/ws/portalfiles/portal/117494791/Petrochemicals_climate_change_review_web.pdf). Amoniak je často řazen do kategorie petrochemikálií, jelikož se vyrábí nejčastěji ze zemního plynu a uhlí. V tomto explaineru zkoumáme amoniak samostatně a výrobu amoniaku nepočítáme do emisí skleníkových plynů z výroby petrochemikálií.
+[^amoniakiea]: [International Energy Agency, 2021: Ammonia Technology Roadmap](https://iea.blob.core.windows.net/assets/6ee41bb9-8e81-4b64-8701-2acc064ff6e4/AmmoniaTechnologyRoadmap.pdf)
+[^ropapouziti]: [Fuels Europe: Vision 2050](https://www.fuelseurope.eu/publications/publications/vision-2050-a-pathway-for-the-evolution-of-the-refining-industry-and-liquid-fuels)
+[^recyklaceplasty]: [Investigate Europe, 2023: In numbers: Europe’s mounting plastic waste problem unpacked](https://www.investigate-europe.eu/en/posts/in-numbers-europes-mounting-plastic-waste-problem-unpacked)
+[^elektrifikacekrakovani]: [Linde Engineering: Steam crackers go electric](https://www.linde-engineering.com/en/about-linde-engineering/success-stories/it-is-electrifying.html)
+[^mit]: Podle [MIT](https://climate.mit.edu/ask-mit/how-efficient-carbon-capture-and-storage) je možné teoreticky zachytit 99 % emisí, ale ekonomická a energetická náročnost procesu výrazně roste s každým dalším procentem zachyceného CO<sub>2</sub>. 90 % zachyceného CO<sub>2</sub> se jeví jako akceptovatelný poměr ceny a výkonu.
+[^emiseropa]: [Ma et al., 2023: Global oil refining's contribution to greenhouse gas emissions from 2000 to 2021](https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666675822001576#bib8)
+[^f-plyny]: [Intergovernmental Panel on Climate Change, 2022: Mitigation of Climate Change - Summary for Policymakers](https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg3/downloads/report/IPCC_AR6_WGIII_SPM.pdf)
+[^ropademand]: [BP, 2023: Energy Outlook 2023 Edition](https://www.bp.com/content/dam/bp/business-sites/en/global/corporate/pdfs/energy-economics/energy-outlook/bp-energy-outlook-2023.pdf)
+[^rafinerieefektivita]: [Sunny et al., 2022: A Pathway Towards Net-Zero Emissions in Oil Refineries](https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fceng.2022.804163/full)
+[^poptavkamoniak]: [Statista, 2022: Forecast demand for ammonia worldwide from 2021 to 2050, by application](https://www.statista.com/statistics/1345797/forecast-global-ammonia-demand-by-application/)
+[^ammoniareport]: [Innovation for Cool Earth Forum, 2022: Low-Carbon Ammonia Roadmap](https://www.icef.go.jp/pdf/summary/roadmap/icef2022_roadmap_Low-Carbon_Ammonia.pdf).