Uhlí neumírá, přeměňuje se: stoletá Fischer-Tropschova syntéza a její nečekaný comeback v čínském energetickém draku

Takzvaná Fischer-Tropschova syntéza, proces přeměny uhlí na kapalná paliva, se dnes může zdát zajímavou kapitolkou z dějin technologií. Ve skutečnosti však vůbec nepatří do starého železa, naopak zažívá renesanci, a to hned v jedné ze dvou největších ekonomik světa: v Číně.

Před 100 lety si dva němečtí odborníci nechali patentovat metodu, která se později zapsala do dějin jako hybná síla válečné mašinérie nacistického Německa [v době, kdy tato země neměla přístup k ropě a byla nucena vyrábět náhradu z uhlí — pozn. red.] či způsob, jakým apartheid v Jihoafrické republice čelil ropnému embargu. 
V současnosti, v tichosti, téměř bez povšimnutí světové veřejnosti, vyrostl v Číně průmyslový segment založený na přeměně uhlí na chemikálie a kapalná paliva do gigantických proporcí. Podle Mezinárodní energetické agentury (IEA) tento sektor spotřebovává jako surovinu přibližně 380 mil. t uhlí ročně. 
Abychom si toto číslo dokázali lépe představit: kdyby byl tento čínský uhelně- chemický průmysl samostatnou zemí, stal by se třetím největším spotřebitelem uhlí na světě. Předčil by Spojené státy, Japonsko i další velké uhelné spotřebitele, jakými jsou Indonésie či Turecko. Větší spotřebu by měl jen zbytek čínského uhelného sektoru a Indie. 
Nejde přitom o exotickou „podivnost“ či „místní kolorit“. Sektor má vliv na globální klima a světovou energetickou politiku. Čím déle zůstane Čína závislá na uhlí, tím obtížnější bude snižování celosvětových emisí oxidu uhličitého. Navzdory obrovskému pokroku v produkci zelené energie a nové energetice obecně — od elektromobilů po výrobu solárních panelů asijský gigant spotřebovává více uhlí než všechny ostatní země planety dohromady. 
A co je ještě podstatnější, čínský průmysl konverze uhlí na jiné látky má podle všeho dále expandovat. Tento růst by mohl potenciálně vykompenzovat poklesy v jiných oblastech spotřeby uhlí v zemi, včetně snížení poptávky po uhlí na výrobu cementu a oceli. 
„Očekáváme růst mezi 5 % a 10 % v následujících letech,“ potvrdil Carlos Fernandez Alvarez, vedoucí uhelného oddělení IEA pro agenturu Bloomberg. Bohužel, celý sektor je v mnoha ohledech „černou dírou“, protože Čína o něm zveřejňuje jen velmi málo statistických informací.

Nováček na scéně

Po desetiletí Čína přeměňovala část svého uhlí na chemické produkty a kapalná paliva v rámci toho, co odborníci nazývají „tradičním“ uhelným chemickým průmyslem. Výchozím bodem bylo téměř vždy metalurgické uhlí přeměněné na koks a dále transformované na hnojiva na bázi amoniaku a chemikálie na bázi acetylenu. 
Během posledních dvou desetiletí však Čína vybudovala nad tímto tradičním odvětím takříkajíc „druhé a modernější patro“. 
To je založeno na inovovaných variantách starého Fischer-Tropschova procesu a na sofistikovaných nových metodách, včetně syntézy metanolu pro výrobu petrochemických produktů, jako jsou olefiny, které se následně používají k výrobě plastů. 
Tato moderní část zpracování byla na počátku tisíciletí převážně experimentální. Komerční projekty začaly růst jako houby po dešti až v 10. letech 21. století a po krátké přestávce se v posledních letech objevily další, zejména v čínském vnitrozemí. Právě tam, daleko od pobřežních měst, se nachází většina uhelných ložisek země. 
Rozsah tohoto průmyslu, který dalece přesahuje produkci přeměny uhlí na chemikálie ve všech ostatních zemích, a jeho růst překvapují i zkušené pozorovatele. Při pohledu na některé modernizované závody uhlí ani nezahlédnete. Těží se totiž v podzemí téměř přímo pod chemickými zařízeními a dopravníky ho přepravují přímo do pecí, které jej zplyňují a transformují. Odtud jeho cesta pokračuje třeba do vaší plastové láhve na vodu nebo do syntetických tkanin vašeho oblečení.

Naše a domácí!

Pro Peking je průmysl konverze uhlí výhodný hned na dvou frontách.
V té první posiluje energetickou bezpečnost. Čína je na uhlí bohatá, a proto každá tuna kapalného paliva, hnojiva a petrochemikálií, kterou vyrobí pomocí této nejšpinavější fosilní suroviny, je tunou, kterou nemusí vyrábět z dovážené ropy a zemního plynu. Vláda dlouhodobě vnímá svou závislost na dovážených fosilních palivech jako hrozbu pro národní bezpečnost.
Ve druhé frontě vytváří nové využití pro místní uhlí v době, kdy tradiční spotřebitelé (elektrárny, ocelárny a cementárny) pravděpodobně poptávku sníží. Těžba této komodity, v níž je Čína světovou jedničkou, přitom přímo zaměstnává asi 2 miliony lidí, a mnoho dalších v navazujících odvětvích, jako je doprava. 
Zdá se, že Peking usiluje o udržení těžby, i kdyby poptávka z elektráren díky rostoucí výrobě solární a větrné energie klesla. Čína přitom na výrobu elektřiny používá tolik uhlí, že i malý pokles v této oblasti by mohl být mnohem větší než celý růst průmyslu přeměny uhlí na chemikálie. Zatímco však objem uhlí spáleného na výrobu elektřiny v nejlepším případě stagnuje, objem uhlí přeměněného na chemické sloučeniny prudce roste. 
Udržení poptávky po uhlí je ještě důležitější v hlavních těžebních regionech, jako jsou Šan-si, Vnitřní Mongolsko, Sin-ťiang a Šen-si. V Sin-ťiangu státní gigant China Energy Investment Corp. investuje miliardy USD do moderních — a mnohem pokročilejších — verzí Fischer-Tropschova procesu. 
Na průmyslových konferencích čínští uhelně-chemičtí giganti hrdě ukazují návštěvníkům laboratorní baňku s nápisem „Univerzální nafta na bázi uhlí“. Státem vlastněné noviny popisují jejich konverzní závody jako „velké ropné pole v moři uhlí“. 
Navzdory svému obrovskému významu pro globální ekonomiku a změnu klimatu není uhlí v dnešní energetické debatě tak prominentní, jak by mělo být. Čínský průmysl konverze uhlí je příkladem této slepé skvrny. 
V řadě zemí se mluví o tom, že uhlí bude brzy minulostí — ale to je spíše výraz lokálních ambicí než globálního vývoje. Celosvětová poptávka loni vyšplhala na historické maximum a vše nasvědčuje tomu, že zůstane na téměř rekordních úrovních ještě několik let. 
Sto let poté, co Franz Fischer a Hans Tropsch vyvinuli svůj stejnojmenný proces v Institutu císaře Viléma pro výzkum uhlí v Mülheimu an der Ruhr, svět stále nachází nové způsoby, jak uhlí spotřebovávat.

Zrození a proměny Fischer-Tropschovy syntézy

Píše se rok 1925. V německém Mülheimu an der Ruhr, v Institutu císaře Viléma pro výzkum uhlí (KWI — Kaiser-Wilhelm-Institut für Kohlenforschung), dva chemici, Franz Fischer (1877—1947) a Hans Tropsch (1889—1935), završují roky trvající výzkum. Výsledkem je patent na proces, který vejde do dějin jako Fischer-Tropschova syntéza. Jde o jednu z nejdůležitějších reakcí v oblasti heterogenní katalýzy, která ani dnes neztratila na významu.  Motivace byla prostá a diktovala ji historická situace Výmarské republiky. Na počátku 20. století se energetické potřeby industrializovaných zemí měnily. Rozvoj motorizace prudce zvýšil poptávku po kapalných palivech pro automobily a později letadla. Německá říše sice disponovala obrovskými zásobami uhlí, ale ropy a zemního plynu měla pramálo. Snaha vyhnout se závislosti na dovozu, např. z USA, vedla politiky k podpoře vývoje chemického procesu pro přeměnu domácího černého uhlí na kapalná paliva a maziva.  Myšlenka „zkapalňování uhlí“ nebyla zcela nová. Již v roce 1869 francouzský chemik Marcelin Berthelot našel způsob, jak uhlí hydrogenovat. Jeho metoda však byla příliš nákladná pro průmyslové využití. Slibněji vypadala přímá hydrogenace vyvinutá Friedrichem Bergiem (patentovaná v roce 1913), známá jako Bergius-Pierův proces. I zde se však objevily potíže při zavádění do velkovýroby, které se podařilo uspokojivě vyřešit až po první světové válce.  KWI v Mülheimu, založený v roce 1912 jako spojení politiky, vědy a průmyslu, se na výzkum uhlí specializoval. Jeho prvním ředitelem se stal Franz Fischer, dříve profesor elektrochemie. Když během první světové války došly zásoby maziv a paliv, výzkum výroby syntetických paliv na základě Bergiova procesu začal i zde. Fischer společně s Hansem Tropschem však vyvinuli nový, nepřímý způsob zkapalňování uhlí. Při něm se uhlí a vodík nejprve silným zahřátím převedou na syntézní plyn (směs oxidu uhelnatého a vodíku). Tento plyn pak reaguje s kovovým katalyzátorem a může být přeměněn na kapalné palivo nebo mazivo. Systematicky přitom měnili tlak, teplotu a použité katalyzátory.  Po patentování v červenci 1925 byl proces dále optimalizován pro průmyslové využití, k čemuž sloužilo i testovací zařízení v areálu institutu. Výzkumníkům se podařilo vyrobit široké spektrum kapalných a plynných uhlovodíků, z nichž se vyráběl benzín, nafta, syntetické motorové oleje i chemické suroviny.  Ekonomicky se však proces během Výmarské republiky nevyplácel. To se změnilo s nástupem nacistů k moci v roce 1933. S cílem dosáhnout soběstačnosti v surovinách režim masivně podporoval a dotoval zavádění syntézy do velkovýroby. Do roku 1941 existovalo devět závodů s roční produkcí 300 000 t, které přispívaly k výrobě maziv a paliv během druhé světové války. Po skončení války, s rostoucí dostupností levné ropy, ekonomický základ pro Fischer-Tropschův proces v Německu vymizel.  Tato syntéza také získává zvýšenou pozornost pro přeměnu biomasy a průmyslových odpadních plynů (jako CO a CO2) na základní chemikálie a paliva. V procesu BtL (biomass-to-liquids) se z biomasy nevhodné pro potravinářství (sláma, dřevní odpad) teplem vyrábí syntézní plyn. Ten se pak pomocí Fischer-Tropschova procesu přeměňuje na uhlovodíky a následně pomocí procesů z rafinace ropy na biopalivo. Výzkumníci, například v Oddělení heterogenní katalýzy na MPI für Kohlenforschung (následník KWI ), stále pracují na zdokonalování metod syntézy a hledání vhodných katalyzátorů. Fischer- Tropschova syntéza je tak skvělým příkladem relevance základního výzkumu a toho, jak objev patentovaný před téměř sto lety v Německu byl a stále je využíván v mnoha chemických procesech po celém světě.