Aktuality

Snižování emisí oxidu uhličitého patří mezi hlavní cíle environmentální politiky. Jako skleníkový plyn přispívá ke globálnímu oteplování, proto je produkce CO₂ a vypouštění do atmosféry přísně kontrolovaná. Stále více vědců nyní hledá co nejefektivnější metody separace, ukládání a možnosti následného využívání tohoto oxidu.

Na  Ústavu procesní a zpracovatelské techniky Fakulty strojní ĆVUT se tomu tématu věnují také studenti. Jedním z nich je Jonáš Kareis, který se ve své diplomové práci zaměřil na hodnocení metod separace CO₂ a jejich energetickou optimalizaci.

Cílem práce bylo navrhnout a simulačně ověřit proveditelnost kryogenní separace oxidu uhličitého ze spalin pomocí technologie, kde je zdrojem chladu kapalný kyslík, který zároveň zajišťuje kyslíkovou atmosféru pro oxyfuel spalování metanu.

Mezi technologie zachytávání CO₂ patří absorpce, adsorpce, zachytávání na membráně, kryogenní separace a separace CO₂ mikrořasami, o kterých se uvažuje jako o levném zdroji biomasy. Výhodou této technologie je šetrnost k životnímu prostředí, přímé využití solární energie a tvorba biomasy a dalších produktů. Zatím nejpoužívanější technologií je pro nižší náklady absorpce. Účinností se ale nevyrovná kryogenní separaci, která dokáže vyseparovat téměř veškerý oxid uhličitý o vysoké čistotě a zabránit jeho vypouštění do ovzduší.

Technologie kryogenní separace využívá rozdílných kondenzačních teplot plynů obsažených ve spalinách. Tato metoda dosahuje nejvyšší účinnosti separace CO₂, v téměř stoprocentní čistotě. Takto čistý produkt lze využívat jako vstupní surovinu u řady chemických či biologických reakcí nebo v potravinářském průmyslu. Čistý oxid uhličitý lze navíc snadněji stlačovat na tlak potřebný k přepravě.

Nevýhodou kryogenní separace je však její vysoká energetická náročnost. Proto se kryogenní separace využívá při spalování v kyslíkové atmosféře neboli oxyfuel spalování, kdy spaliny obsahují vysoký podíl CO₂ a spotřeba energie na jednotku odseparovaného oxidu uhličitého je tak menší. Další nevýhodou je nutnost řešení zdroje chladu. Ten je nejčastěji řešen chladící smyčkou zemního plynu.

Autor ve své práci navrhl novou technologii, která se od stávajících technologií výrazně liší. Stávající technologie separují oxid uhličitý při atmosférickém tlaku ve formě ledu, jelikož při tomto tlaku neexistuje v kapalném skupenství. Separovaný led se poté zahřeje a stlačí, čímž je přeměněn na kapalinu, která je ideální pro skladování. Nový koncept separuje CO₂ přímo v kapalném skupenství a přeskočí tím krok opětovného ohřevu před stlačením. K tomu je nutné provádět separaci za zvýšeného tlaku.

Druhou inovativní myšlenkou je nahrazení energeticky náročných chladících oběhů kryogenní kapalinou, v tomto případě kapalným kyslíkem nebo zemním plynem. Chlad uložený v kapalině lze využít pro zchlazení spalin a separaci oxidu. Zároveň dojde k odparu a ohřevu kryokapalin, jejichž plyny jsou spalovány ve spalovací komoře. Tímto způsobem maximalizujeme využití generovaného tepla a nemaříme chlad uložený ve zkapalněném plynu. Odpovědí na otázku, kde nalézt zdroj kryogenních kapalin, může být propojení s výzvou dlouhodobého ukládání energie, které může být řešeno kryogenním skladováním energie. Nadbytečná energie z obnovitelných zdrojů se využije na zkapalnění plynu, který lze energeticky využít později.

Na základě těchto charakteristik autor navrhl dvě technologie, a to se stlačením plynu a kyslíku před spalováním a se stlačením spalin po spalování. Výsledky ověřovací studie pomocí entalpické a hmotové bilance potvrdily, že navržený koncept kryogenní separace CO₂ je v rámci studie proveditelný a může dosáhnout požadovaného účinku. Pomocí počítačové simulace v programu Aspen Plus autor prokázal, že navržený koncept je smysluplný a lze dosáhnout požadovaného účinku separace CO₂, kterou je možné ještě zvýšit snížením teploty a zvýšením tlaku. Účinnost technologie je vyšší, než které dosahují ostatní technologie separování CO₂, jako absorpce, adsorpce, membránová separace, chemické spalování a separace mikrořasami. Zároveň je však účinnost menší než u běžně používaných technologií kryogenního separování oxidu uhličitého, které dosahují účinnosti a čistoty CO₂ nad 99,9 %. Výsledky a myšlenky popsané v práci otevírají dveře dalšímu výzkumu, který může vést k efektivnějšímu způsobu kryogenní separace.

Jonáš Kareis se stal vítězem 28. ročníku , v tematické skupině: Technika životního prostředí.

Celou diplomovou práci najdete ke stažení ZDE.