Překvapivá proměna CO2: Z odpadního plynu vznikají plasty a paliva budoucnosti

Přemýšleli jste někdy nad tím, že budoucnost dekarbonizace by mohla spočívat v zachycování oxidu uhličitého (CO2) pomocí speciálních technologií a jeho následném využití k výrobě produktů a materiálů? Jakkoli se to může zdát neuvěřitelné, je to možné.

Klimatická změna má nebezpečné dopady na přírodu a lidi ve všech regionech světa, ohrožuje mimo jiné zdraví, potravinovou bezpečnost a zásoby vody. Naše planeta se již oteplila o 1,3 °C ve srovnání s předindustriální dobou v důsledku vlivu emisí skleníkových plynů z lidské činnosti v atmosféře. Zatímco téměř každá země na světě se dohodla na omezení oteplení na 1,5 °C, realita je taková, že jsme daleko od cíle – a každá další desetina stupně oteplení zhoršuje dopady klimatické změny.

V roce 2024 se emise CO2 z využívání energie mírně zvýšily (o 0,8 %) na rekordní úroveň. To také posunulo atmosférické koncentrace CO2 na historicky nejvyšší úroveň. Většina nárůstu pocházela ze spalování fosilních paliv, zatímco emise z některých průmyslových činností klesly. Navzdory snížení v rozvinutých ekonomikách celkové globální emise CO2 nadále rostou, protože emise se zvyšují v rozvojových zemích. Nejvíce znečišťujícími sektory jsou spalování energie (elektřina a teplo), doprava a průmyslové procesy (výroba cementu, oceli nebo chemikálií).

Ekosystémy, jako jsou lesy, půdy, mokřady a oceány, fungují jako takzvané uhlíkové propady, které neustále absorbují CO2 prostřednictvím biologických a fyzikálně-chemických mechanismů. Vědecké studie zdůrazňují, že ochrana a obnova těchto přírodních propadů je zásadní, neboť jejich degradace je může rychle proměnit z pohlcovačů uhlíku na zdroje uhlíku. I když hrají klíčovou roli při stabilizaci atmosférických koncentrací CO2, samotné přírodní systémy nemohou kompenzovat všechny antropogenní – tedy lidmi způsobené – emise. Právě zde přicházejí na řadu technická řešení.

Zachycování uhlíku není jediné řešení, ale soubor různých technologií, které fungují v různých měřítcích a fázích vývoje. Současný výzkum se zaměřuje na zefektivnění těchto technologií, snížení jejich energetické náročnosti a jejich přizpůsobení různým typům emisí.

Některé technologie zachycování uhlíku odstraňují CO2 z průmyslových zdrojů dříve, než je uvolněn do atmosféry. Jsou primárně nasazovány ve vysoce emisních průmyslových zařízeních, jako jsou elektrárny, cementárny, rafinerie a chemické výrobní závody. V těchto prostředích spalování fosilních paliv generuje spalinový plyn – směs různých plynů včetně dusíku, vodní páry a oxidu uhličitého.

Pro zabránění úniku tohoto CO2 do atmosféry se používají specializované separační techniky. Jednou z nejběžnějších metod je chemická absorpce. Při tomto procesu je spalinový plyn veden rozpouštědlem obsahujícím specifické chemické sloučeniny (typicky aminy), které se selektivně vážou na molekuly CO2. Vytvořením těchto dočasných chemických vazeb je CO2 účinně odstraněn z proudu plynu, což umožňuje uvolnění zbývajících neškodných plynů, zatímco koncentrovaný uhlík je zachycen pro transport a skladování.

Jiné technologie jsou navrženy k extrakci CO2 přímo z atmosféry. Jedna metoda využívá systémy s kapalnými rozpouštědly, kde je vzduch veden specializovanými kapalinami, které absorbují CO2. Následně se aplikuje teplo a tlak k oddělení CO2 od kapaliny, což umožňuje opětovné použití kapaliny. Vyčištěný vzduch, nyní s menším obsahem CO2, je uvolněn zpět do atmosféry.

Další přístup zahrnuje systémy s pevnými sorbenty, které používají filtry k zachycování CO2 ze vzduchu. Když jsou tyto filtry zahřáty nebo vystaveny tlaku, uvolňují CO2 v koncentrované formě.

Oba systémy jsou schopny pracovat s velmi nízkými úrovněmi atmosférického CO2. Klíčovou výhodou je jejich schopnost zachycovat emise, které jsou široce rozptýlené nebo pocházejí z minulých činností, čímž řeší širší spektrum zdrojů.

Přeměna CO2 na užitečné zdroje

Valorizace CO2 zahrnuje jeho přeměnu na užitečný zdroj namísto pouhého odstranění. Ačkoli je chemicky stabilní a obtížně transformovatelný, pokroky v chemii, biologii a energetických systémech umožňují stále více aplikací.

Pomocí chemických, elektrických nebo biologických procesů lze CO2 přeměnit na uloženou energii, například na paliva. Tyto procesy však vyžadují obrovské množství energie, což z nich činí životaschopnou možnost pouze v případě, že použitá energie pochází z čistých, nízkouhlíkových zdrojů, jako je solární nebo větrná energie.

CO2 lze také použít ve stavebních materiálech, kde reaguje s minerály a vytváří stabilní sloučeniny, které uhlík uzamknou na desítky let. Ačkoli je to slibné, přetrvávají výzvy související s dodávkami materiálu, náklady a průmyslovou integrací.

Mikroorganismy, řasy a enzymy mohou přeměňovat CO2 na užitečné produkty prostřednictvím přirozených biologických procesů, jako je fotosyntéza nebo metabolismus. Využíváním CO2 k růstu produkují biomasu (materiál z živých organismů), která je bohatá na bílkoviny, tuky, sacharidy a pigmenty. Tato biomasa pak může být zpracována na cenné produkty, jako jsou krmiva pro zvířata, biohnojiva, biostimulanty podporující růst rostlin, potravinové přísady nebo funkční sloučeniny pro použití v kosmetice a farmacii.

Mezi nejslibnější bioprodukty získané z CO2 patří biopolymery, které mohou nahradit konvenční plasty. V tomto kontextu jsou polyhydroxyalkanoáty (PHA) – typ biologicky odbouratelného plastu – přirozeně produkovány mikroorganismy. Za specifických podmínek mohou některé bakterie syntetizovat PHA s využitím CO2 jako konečného zdroje uhlíku.

PHA jsou velmi zajímavé, protože kombinují ekologické výhody s všestrannými materiálovými vlastnostmi. Mohou být použity k výrobě obalů, zemědělských fólií (tenkých plastových fólií pro ochranu rostlin a zlepšení jejich růstu), jednorázových předmětů a dokonce i lékařských přístrojů, přičemž jsou plně biologicky odbouratelné. To z nich činí silnou alternativu k plastům na bázi fosilních paliv, které přetrvávají v ekosystémech po staletí.