Промислова декарбонізація: перспективні рішення для подолання бар'єрів

Підвищення інвестицій, спрямованих на промислові рішення з декарбонізації, необхідне протягом усього інноваційного процесу від фундаментальних досліджень до раннього впровадження. 

Зазначимо, радикальне скорочення промислових викидів насправді важче, ніж для електроенергетики чи транспорту. 

Однією з причин є те, що промисловість використовує величезну різноманітність котлів, печей та інших технологій спалювання викопного палива. Ці технології зазвичай інтегруються в складні виробничі системи на фабриках і нафтопереробних заводах. Зміна компонентів згоряння цих систем може мати руйнівні наслідки для інших компонентів. Тому кожна інновація, яка знижує викиди парникових газів у промисловості, має менше потенційних споживачів, ніж ті, що працюють у сфері енергетики чи транспорту, і, як правило, їх потрібно більшою мірою адаптувати.

Другий аспект цієї проблеми полягає в тому, що електроенергія не підходить для заміни спалювання безпосередньо в деяких промислових застосуваннях. У той час як батареї та електродвигуни можуть забезпечити достатній крутний момент для обертання коліс автомобіля за ціною, конкурентоспроможною з двигунами внутрішнього згоряння, промисловість часто потребує тепла, а не крутного моменту — а на рівні та масштабі електричні технології не можуть легко забезпечити. 

Виробництво цементу, наприклад, зазвичай вимагає температури близько 1500 градусів Цельсія.

«Електрифікуйте все», часто повторюване правило для енергетичного переходу, просто ламається для промисловості.

Стратегія електрифікації додатково обмежена тим фактом, що значна частина промислових викидів спричинена хімічними процесами, а не спалюванням викопного палива. Прожарювання, хімічне перетворення вапняку, наприклад, виділяє вуглекислий газ під час виробництва цементу. 

На технологічні викиди припадає понад 50 відсотків викидів цементної промисловості та близько 18 відсотків усіх промислових викидів.

Ці викиди необхідно вловити, інакше промисловість повинна застосувати принципово інші виробничі процеси.

Промислові матеріали можна використовувати більш ефективно та частіше переробляти. 

Обидві стратегії є життєво важливими, щоб позбутися піку від проблем промислової декарбонізації. Але навіть якщо вони будуть реалізовані в максимальному обсязі, завдання залишиться дуже крутим і дуже великим. 

Зростання масштабних промислових проектів з декарбонізації відображає амбітні цілі щодо скорочення викидів, прийняті багатьма урядами, та їхню готовність підтримати їх значними ресурсами. 

Промислові фірми, що ведуть вперед, сприйняли цю політику накопичення як сигнал про те, що їхні ринки незабаром можуть бути порушені через прагнення до декарбонізації, і намагалися зробити стрибок на переході, демонструючи низьковуглецеві технології виробництва у співпраці з державними установами.

Перспективні промислові рішення з декарбонізації

Наприклад, Європейський Союз визначив декарбонізацію як «головний пріоритет» у своїй «новій промисловій стратегії» і додасть енергоємні сектори до своєї системи торгівлі викидами (ETS). 

Ціль Китаю щодо досягнення вуглецевої нейтральності до 2060 року передбачає повну трансформацію його величезного промислового комплексу. 

Австралія включила чистий водень, низьковуглецеву сталь та алюміній, а також CCUS для підтримки у своїй дорожній карті технологічних інвестицій. 

Сталь 

Мабуть, найвідоміші демонстраційні проекти спрямовані на створення недорогої «зеленої сталі». 

У Швеції на заводі HYBRIT (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology) буде використовуватися повністю електричний процес з нульовими ресурсами вуглецю. Водень, отриманий шляхом електролізу (розщеплення води на водень і кисень), використовується для перетворення залізної руди в залізо прямого відновлення, уникаючи викидів технологічних процесів, а також викидів від спалювання. Потім залізо подають в електричну піч для виготовлення сталі. 

Міжнародне енергетичне агентство повідомило, що «проект має на меті поставити демонстраційну установку до 2025 року, поступово розширюючи послідовні випробування до середини 2030-х років». Шведське енергетичне агентство інвестувало в це підприємство понад 50 мільйонів доларів.

У проектах в Об’єднаних Арабських Еміратах, Нідерландах, Південній Кореї та Японії виробники сталі вловлюють і зберігають вуглець, а не намагаються ліквідувати викиди. У 2016 році запрацював завод Emirates Steel Industries, модернізований з потужністю уловлювання 800 000 тонн CO ₂ на рік. Tata Steel Europe демонструє новий тип інтегрованого сталеливарного заводу, який поєднує кілька процесів в одній печі, концентруючи викиди вуглецю, щоб вони їх легше захопити. Заводи Японії та Південної Кореї застосовують CCUS на етапі виробництва чавуну традиційного виробництва сталі. 

Цемент 

Як і сталь, цемент створює викиди в процесі, а також при згорянні. У кількох країнах розробляються проекти комерційного масштабу, що демонструють технології уловлювання вуглецю в цьому секторі, який важко зменшити, і очікується, що операції почнуться в середині 2020-х років. 

Наприклад, у грудні 2020 року уряд Норвегії вирішив інвестувати в проект Heidelberg Cement у Бревіку, який вперше продемонструє CCUS на повномасштабному цементному заводі. Очікується, що завод буде вловлювати 400 000 тонн CO ₂ на рік, коли буде завершено в 2024 році.

Інші проекти з низьковуглецевого цементу ведуться в пілотному масштабі в Бельгії, Канаді, Китаї, Німеччині, Індії та Італії. 

Були оголошені масштабні демонстрації щонайменше двох із цих технологій. Один із проектів, що фінансується ЄС, на заводі Heidelberg Cement у Ліше, Бельгія, в якому технологічні викиди відокремлюються від викидів від спалювання, утворюючи майже чистий потік CO ₂.

Розробники стверджують, що це дозволить «як цементній, так і вапняній промисловості Європи різко скоротити викиди вуглекислого газу (CO ₂ ) без значних витрат на електроенергію або капітал». 

Нафтохімія 

Хімічна промисловість виробляє найрізноманітніші кінцеві продукти, але основна частина її викидів походить від відносно невеликої групи проміжних продуктів, які використовуються як вихідні ресурси. Турбота про пластикові відходи допомогла привернути більше уваги до переробки, яка є важливим шляхом скорочення викидів. Але інновації щодо усунення викидів від виробництва первинних хімічних речовин просуваються повільно. 

Однією з яскравих плям є іновація, яка розпочнеться цього року в Австралії. Завод вироблятиме аміак, основне джерело CO ₂ для хімічної промисловості , з використанням водню, отриманого електролізом. 

Зрештою, для трансформації хімічної промисловості можуть знадобитися прориви в біотехнології. 

Американські стартапи створили численні перспективні біотехнології, але коли ці фірми прагнуть розширити масштаби до комерційного виробництва, їм доводиться виїжджати за кордон, щоб знайти відповідні потужності. 

Державно-приватні партнерства в Бельгії та Мексиці, наприклад, створили контрактні потужності, які дозволяють розробникам доводити процеси бродіння в середньому масштабі. Сполучені Штати поки не побудували нічого порівнянного.

Інші галузі промисловості 

Перспективні промислові рішення з декарбонізації випробовуються за межами Сполучених Штатів і в інших галузях промисловості. 

Наприклад, фінансований ЄС проект HYFLEXPOWER у Франції замінить водень, отриманий за допомогою електролізу, на природний газ на паперово-целюлозному заводі. 

Турбіни для спалювання водню, розроблені для цього проекту, можуть бути корисними в інших галузях або в енергетичному секторі. План проекту передбачає повне спалювання водню з 2023 року. 

У Канаді тривають демонстраційні проекти щодо скорочення викидів в алюмінієвій промисловості. 

Незважаючи на те, що в усьому світі використовується набагато менше алюмінію, ніж сталі, його використання, ймовірно, буде швидко зростати в міру розширення легкості транспортних засобів (важливий крок для скорочення викидів транспортних засобів). Звичайні алюмінієві заводи покладаються на вуглецеві аноди, які під час виробництва перетворюються на CO _{2 .} Інертні аноди, які розробники цих демонстраційних проектів прагнуть вивести на ринок протягом п’яти років, усунуть це джерело. (Apple є інвестором канадського проекту, який є спільним підприємством між Alcoa і Rio Tinto, а також федеральним урядом провінції Квебек і Канадою.) 

Гонка за декарбонізацію промисловості – це та гонка, в якій людство має перемогти. Промислові викиди занадто великі, щоб їх ігнорувати, а продукти, які вони роблять можливими — сталь, цемент, хімічні речовини тощо — є основоположними для людського суспільства. Ми не можемо жити без інфраструктурних послуг, які надають ці продукти. 

Перегони в рамках глобальної гонки з декарбонізації — між країнами, регіонами та компаніями за робочими місцями та прибутками в багатьох галузях — можуть вирішитися в найближче десятиліття. Майбутній перехід до низьковуглецевої економіки віщує серйозні зміни парадигм промислового виробництва. Такі зрушення бувають рідко. 

Як показує досвід Сполучених Штатів 20-го століття в таких галузях, як напівпровідники та пасажирські літаки дальнього радіусу дії, інколи спроможні створити перші переваги.