Technologie

Co je Helena

Uzavřený tubusový systém, ve kterém mikrořasy rostou z média a oxidu uhličitého - pro ně potrava, pro nás surovina. Na metr čtvereční půdorysu zachytí řádově více CO₂ než les. Řasa fotosyntetizuje celou buňkou, nestaví kmen ani kořeny a v reaktoru se kultura skládá do výšky. V obchodním centru Zličín to při 650 ppm na vstupu dělalo zhruba stonásobek lesa na stejné ploše. U zdroje CO₂ je strop velkého reaktoru kolem tuny CO₂ ročně na jednom metru čtverečním, tedy řádově tisícinásobek. To první jsme změřili, to druhé spočítali - při dodávce CO₂ a s elektřinou, kterou les nepotřebuje.¹

Řídicí systém drží světlo, aeraci a teplotu autonomně a každou minutu měří pH, teplotu kultury, CO₂ na vstupu i výstupu, kyslík a celou řadu dalších parametrů.² Reaktor o objemu 760 litrů má i s dílčím dosvětlováním spotřebu asi 240 W.³

Nejčastěji pracujeme s kmenem Chlorella vulgaris ze Sbírky autotrofních organismů v Třeboni.⁴ Vyvíjíme už pátou generaci reaktoru a máme za sebou 232 dní provozu na veřejném místě.⁵ Na vývoji spolupracujeme s Akademií věd ČR a jsme členy European Algae Biomass Association.⁶

Reaktor 04

Objem Osm tubusů o průměru 250 mm a délce 2 000 mm dává 785 litrů geometricky, provozní náplň je 760 litrů. Předchozí generace měla stejný počet tubusů o průměru 192 mm a délce 1 800 mm, tedy 417 litrů - mezi 03 a 04 se objem téměř zdvojnásobil. Půdorys je 1 m² a napuštěná generace 04 váží kolem 900 kg.

Aerace Vzduch - nebo CO₂ přímo ze zdroje - probublává kulturou v tubusech. Doložené je zatím jen dmychadlo z obchodního centra Zličín: nominál 24 m³/h, z provozu dopočtených 20,0 m³/h - skutečnost je vždycky nižší.

Světlo Reaktor využívá denní světlo a LED je dopočítávají jen tehdy, když ho není dost. Ne podle hodin, ale podle toho, co v tu chvíli kultura potřebuje.

Čidla Čidla CO₂ jsou NDIR, kalibrovaná dusíkem 5.0, s korekcí per kus a přesností ±2 % v pracovním bodě reaktoru. Proti provozu v obchodním centru Zličín má generace 04 navíc dvě věci, na kterých stojí celá bilance: kalibrované měření průtoku a koncentraci CO₂ na vstupu i na výstupu.

Sklizeň Biomasa je buď produkt (krmivo, nutraceutika, biostimulant), nebo se uhlík v ní stabilizuje pyrolýzou na biouhel a zůstane v pevné podobě stovky let, to už ale není využití uhlíku, ale jeho uložení. Hodnota 2 g sušiny/l/den, se kterou pracuje výpočet u BICCAPS, je vstup do úvahy, ne měření.

Podrobnou technickou specifikaci poskytujeme na vyžádání.

Proč koncentrace rozhoduje

Bublina projde reaktorem za několik sekund. Při 420 ppm je v ní oxidu uhličitého tak málo, že se během té doby stihne rozpustit jen zlomek a zbytek odejde hladinou. Není to vlastnost Heleny - je to nejslabší krok každého fotobioreaktoru, protože přestup plynu do kapaliny je pomalejší než samotná fotosyntéza. Rozhoduje plocha rozhraní a doba zdržení bubliny.

V obchodním centru Zličín jsme si to změřili v provozu. Reaktorem protékalo průměrně 20 m³ vzduchu za hodinu o průměrné koncentraci 650 ppm, což odpovídá toku zhruba 0,57 kg CO₂ za den a asi 130 kg za celý pilot - prošlo, nebylo však zachyceno. Je to horní mez. Bez ohledu na stav kultury nelze fixovat více uhlíku, než kolik ho reaktorem projde. Pilot proto necharakterizuje biologii, ale dimenzování plynové cesty. Rozepsané je to v případovce Helena v obchodním centru Zličín.

Řasa má optimum v jednotkách procent CO₂: Chlorella roste nejlépe při 5 % a nad 10 % se růst tlumí, kdežto ve vzduchu je ho 0,042 % - o tři řády méně.⁷ Odtud vede celý další vývoj. Dvě aktivity běží dnes s Ústavem chemických procesů AV ČR v projektu Technologická inkubace do 7/2027: koncentrátor, který zvedne vstupní koncentraci na 1 500 ppm a výš, a bubliny menší než 1 mm. Třetí cestou je napojení přímo na zdroj, kde je CO₂ řádově koncentrovanější. Čtvrtou pak BICCAPS - dodat uhlík rozpuštěný v médiu a plynný krok vynechat úplně.

Kde Helena stojí mezi metodami záchytu

Ostatní cesty končí čistým CO₂, který je potřeba stlačit, dopravit a uložit. Helena končí biomasou a trvanlivost se u ní odvíjí od toho, co s biomasou uděláme. Osm způsobů záchytu stojí vedle sebe na samostatné stránce, u každého týž trojí údaj: odkud se CO₂ bere, jak dlouho vydrží uložený a co po metodě zůstane. Celé srovnání →

Co Helena neumí

Nevyčistí budovu V bezprostředním okolí reaktoru vzduch zlepší a změří o kolik - celou budovu nevyčistí. Rozdíl kyslíku mezi vstupem a výstupem je typicky 20,7 % proti 21,1 %, z provozu v obchodním centru Zličín z toho vychází asi 0,23 kg O₂ denně - tolik prodýchá čtvrtina člověka. Kyslík pro budovu to není a netvrdíme to.

Neuloží uhlík natrvalo Biomasa sama o sobě je krátký cyklus: při rozkladu se uhlík vrací do atmosféry. Trvanlivost dává až pyrolýza na biouhel, a ta je samostatná fáze s vlastní bilancí, kterou zatím vyčíslenou nemáme. Pro odběratele biomasy jde o vyhnuté emise, tedy rozdíl proti témuž produktu z fosilního vstupu. Není to odstranění CO₂ z atmosféry ani uhlíkový kredit a vyčíslení dodá až LCA, která se připravuje.

Neobejde se bez elektřiny Les ji nepotřebuje - a kromě uhlíku dává dřevo, biodiverzitu, zadrženou vodu a chladnější krajinu. To reaktor nenahradí. Na metr čtvereční půdorysu zachytí reaktor řádově více CO₂ než les. V obchodním centru Zličín to při 650 ppm na vstupu dělalo zhruba stonásobek lesa na stejné ploše. U zdroje CO₂ je strop velkého reaktoru kolem tuny CO₂ ročně na jednom metru čtverečním, tedy řádově tisícinásobek. To první jsme změřili, to druhé spočítali.¹

Neudrží kulturu tak spolehlivě jako zařízení V obchodním centru Zličín běželo řízení, aerace, osvětlení a temperace 232 dní bez zásahu obsluhy nad rámec plánovaného servisu. Kultura tuhle stabilitu nedržela: během pilotu byla desetkrát obnovena a složení média se průběžně upravovalo. Dostupnost zařízení a stabilita kultivace jsou dvě různé úlohy a ta druhá je obtížnější.

Nemá uzavřenou bilanci V obchodním centru Zličín jsme měřili CO₂ jen na vstupu a průtok dopočítávali ze součtu, ne z kalibrovaného průtokoměru. Podíl skutečně využitého uhlíku proto zůstává neznámý. Ani odhadovaných ~40 kg sušiny nepoužíváme jako údaj o výkonu reaktoru - je to odhad z objemu sklizní, ne vážená bilance. Že Helena vyčistila vzduch v budově, ušetřila na vytápění nebo zachytila tuny, jsme netvrdili a tvrdit nebudeme.

Neumí zatím alkalickou cestu BICCAPS je otevřená úloha. Neadaptovaná Chlorella vulgaris je nad pH kolem 9 inhibovaná, při vysokém pH se sráží fosfát a vypadává železo, absorpce z okolního vzduchu je bez katalyzátoru pomalá a vyčeření média před vstupem do kolony je tentýž nevyřešený krok jako sklizeň.

Footnotes

1. Počítáme na půdorys, protože les i reaktor zabírají podlahu a kultura se v reaktoru skládá do výšky. Půdorys Heleny je 1 m². Změřeno (Zličín, ambientní vzduch, 650 ppm): ~40 kg sušiny za 232 dní ≈ 315 g CO₂ denně ≈ 115 kg CO₂ na m² a rok - odhad z pilotu s přerušovanou kulturou, ne výkon reaktoru. Spočítáno (u zdroje CO₂): strop velkého reaktoru ~1 t CO₂ za rok na 1 m² půdorysu. Vyžaduje koncentrovaný vstup, při 650 ppm reaktorem tolik uhlíku neproteče. Mírný les: čistý propad 3,7 t CO₂e na hektar a rok, tedy 0,37 kg na m² a rok - průměr za roky 2001 až 2025 (World Resources Institute, Global Forest Review). Zalesňování mírného pásma může dosáhnout 2,6 až 27,5 t CO₂/ha/rok (Brown et al. 1996 via FAO). Proti hodnotě 0,37 vychází Zličín na ~310× a strop u zdroje na ~2 700× - v textu držíme konzervativní „řádově stonásobek“ a „řádově tisícinásobek“. Platí při dodávce CO₂ a s elektřinou, kterou les nepotřebuje. ↩︎ ↩︎²

2. Čidla NDIR kalibrovaná dusíkem 5.0, korekce per kus, ±2 % v pracovním bodě reaktoru. ↩︎

3. Reaktor 04, údaj z technické dokumentace. Kontrola z provozu v obchodním centru Zličín: 1 166 kWh / 232 dní = 5,03 kWh/den = 210 W průměr. Dokumentace a provoz se shodují na deset procent. ↩︎

4. Chlorella vulgaris CCALA 266, Sbírka autotrofních organismů, Třeboň. V obchodním centru Zličín testována i spirulina (Limnospira). ↩︎

5. Helena 01 až 04 v provozu, pátá generace ve vývoji. Helena 04 v Metropoli Zličín, 232 dní, březen až říjen 2023. Počítali jsme dny, ne nadšení. ↩︎

6. Ústav chemických procesů AV ČR, v. v. i. EABA = European Algae Biomass Association. ↩︎

7. Fermentační plyn je téměř čistý CO₂ - o tři řády víc než ve vzduchu (0,042 %). Řasa má optimum v jednotkách procent: Chlorella roste nejlépe při 5 % CO₂. Nad 10 % se růst tlumí (Leflay, Pandhal & Brown 2021, J. CO₂ Util. 52, 101657). ↩︎