Πώς να απανθρακοποιήσετε το 85% του συνόλου της βιομηχανίας χρησιμοποιώντας την τρέχουσα τεχνολογία

By | February 1, 2024

Ο βιομηχανικός τομέας ευθύνεται για περίπου το 25% των παγκόσμιων εκπομπών CO2 – ή περίπου 9,3 δισεκατομμύρια μετρικούς τόνους ετησίως και αυξάνεται. Αλλά μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο του Λιντς λέει ότι δεν χρειάζεται να περιμένουμε μια μαγική νέα τεχνολογία για να καθαρίσει το μεγαλύτερο μέρος της.

Σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Μονάδα ενέργειας ή έργου, Οι ερευνητές κάλυψαν μια σειρά διαφορετικών βιομηχανικών τομέων αναλύοντας τις διαθέσιμες επιλογές για απαλλαγή από τις ανθρακούχες εκπομπές, τις δυνατότητές τους για μείωση των εκπομπών και το επίπεδο τεχνολογικής ετοιμότητάς τους (TRL) – ένα μέτρο του πόσο κοντά είναι μια δεδομένη τεχνολογία να είναι έτοιμη για υιοθέτηση ευρέως διαδεδομένη.

Διαπίστωσαν ότι ακόμη και αν χρησιμοποιούνταν μόνο επιλογές μέσης και υψηλής ωριμότητας (TRL 6-9) – που αφορούν κυρίως δέσμευση και αποθήκευση άνθρακα (CCS) ή/και αλλαγή καυσίμου σε υδρογόνο ή βιομάζα – οι περισσότεροι βιομηχανικοί τομείς είναι ήδη σε θέση να μειώσουν τις εκπομπές κατά κατά μέσο όρο 85%.

Ακολουθεί μια σύντομη περίληψη των περιοχών που αξιολογήθηκαν, των τεχνολογιών που είναι έτοιμες να εφαρμοστούν και όπου παραμένουν κενά.

Σίδερο και ατσάλι

Οι περισσότερες διαδικασίες παραγωγής σιδήρου και χάλυβα περιλαμβάνουν υψικάμινους με καύση ορυκτών καυσίμων και υψικάμινους οξυγόνου για την επίτευξη υψηλών θερμοκρασιών, καθώς και οπτάνθρακα (ψημένος άνθρακας) ως αναγωγικό, με αποτέλεσμα περίπου δύο τόνους εκπομπών C02 για κάθε τόνο παραγόμενου χάλυβα.

Μπορείτε να αντικαταστήσετε τον οπτάνθρακα με πράσινο υδρογόνο και να χρησιμοποιήσετε το ίδιο υδρογόνο για να τροφοδοτήσετε έναν κλίβανο ηλεκτρικού τόξου για την παραγωγή πράσινου χάλυβα – στην πραγματικότητα, υπάρχουν ήδη εργοστάσια πράσινου χάλυβα σε λειτουργία, ένα από τα οποία προμηθεύει τη Volvo.

Αλλά ακόμα κι αν μια χαλυβουργία θέλει να διατηρήσει τα υπάρχοντα περιουσιακά της στοιχεία σε κλιβάνους, η μελέτη διαπιστώνει ότι η CCS μπορεί να δεσμεύσει το 86% των εκπομπών από την παραγωγή χάλυβα, με κόστος 17% περισσότερη κατανάλωση ενέργειας. Υπάρχουν και άλλες επιλογές στον τεχνολογικό αγωγό, όπως η ηλεκτρική εξαγωγή.

Χημική παραγωγή

Η χημική βιομηχανία είναι λίγο περίπλοκη, καθώς περιλαμβάνει πολλά διαφορετικά προϊόντα, διαδικασίες, εισροές και αντιδράσεις. Υπάρχουν όμως κάποιες διαδικασίες υψηλών εκπομπών, όπως η σύνθεση αμμωνίας, για τις οποίες υπάρχουν αποδεδειγμένες πράσινες εναλλακτικές.

Η πυρόλυση με ατμό, για την παραγωγή σημαντικών χημικών μπλοκ όπως αιθυλένιο, προπυλένιο, βουταδιένιο, ακετυλένιο και αρωματικές ενώσεις, είναι λίγο πιο δύσκολη. Οι ηλεκτρικές κροτίδες ατμού και υδρογόνου, σύμφωνα με την εκτίμηση της ομάδας, πέτυχαν μόνο TRL 5, ακριβώς κάτω από το όριο. Αλλά χρησιμοποιώντας μόνο το CCS, περίπου το 90% των τρεχουσών εκπομπών μπορεί να απομονωθεί – αν και απαιτεί περίπου 25% περισσότερη ενέργεια.

Στην αναμόρφωση ατμού, για την παραγωγή μεθανόλης και υδρογόνου, οι ηλεκτρολύτες είναι καλά εδραιωμένοι και μπορούν να εξαλείψουν πλήρως τις εκπομπές άνθρακα – με κόστος τεράστιας ποσότητας ηλεκτρικής ενέργειας, που αντιπροσωπεύει άλμα 743% στην κατανάλωση ενέργειας σε σύγκριση με τις συμβατικές μεθόδους. Εδώ, το CCS θα είναι λιγότερο αποτελεσματικό, δεσμεύοντας μόνο το 52-88% των εκπομπών από τις υπάρχουσες διαδικασίες παραγωγής και απαιτώντας αύξηση περίπου 10% στην κατανάλωση ενέργειας.

Μια σειρά βιομηχανιών, με εναλλακτικές λύσεις μείωσης των εκπομπών που εμφανίζονται με βαθύ μωβ εάν είναι ήδη διαθέσιμες, ξεθωριάζουν σε γκρι αν βρίσκονται στην πρώιμη ανάπτυξη

Πανεπιστήμιο του Λιντς

Τσιμέντο και Ασβέστη

Οι περισσότερες εκπομπές άνθρακα από το τσιμέντο και τον ασβέστη είναι «εκπομπές διεργασιών» που φαίνονται αναπόφευκτες αν θέλουμε να συνεχίσουμε να χρησιμοποιούμε αυτές τις ενώσεις. Αυτό σημαίνει ότι μεγάλο μέρος του δυναμικού μείωσης των εκπομπών αυτού του τομέα θα είναι σε CCS, με κόστος «σημαντικών» πρόσθετων εισροών ενέργειας μεταξύ 62-166%.

Από την άλλη πλευρά, η μετατροπή των κλιβάνων ασβέστη και τσιμέντου ώστε να λειτουργούν με υδρογόνο, βιομάζα ή ηλεκτρική ενέργεια θα μπορούσε να εξαλείψει έως και το 40% των συνολικών εκπομπών του κλάδου, χωρίς σημαντικές επιπτώσεις στις ενεργειακές ανάγκες.

Παραγωγή αλουμινίου

Οι περισσότερες από τις εκπομπές στην παραγωγή αλουμινίου αυτή τη στιγμή –περίπου τα δύο τρίτα– προέρχονται από την κανονική, βρώμικη ηλεκτρική ενέργεια που χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία της διαδικασίας ηλεκτρόλυσης, η οποία είναι μια εύκολη νίκη. χρησιμοποιήστε πράσινη ενέργεια. Ορισμένες από τις υπόλοιπες εκπομπές βασίζονται σε διαδικασίες. Αυτά μπορούν να επιλυθούν με 20% ποινή στην κατανάλωση ενέργειας χρησιμοποιώντας αδρανείς ανόδους αντί για άνοδοι άνθρακα σε ηλεκτρολύτες.

Το υπόλοιπο 13-16% των εκπομπών μπορεί να εξαλειφθεί με τη μετάβαση σε ηλεκτρικούς λέβητες ή λέβητες με καύση υδρογόνου και ασβεστοποιητές στη διαδικασία διύλισης αλουμίνας, αν και αυτοί εξακολουθούν να απαιτούν σημαντική ανάπτυξη.

Με διαφορά, ο τρέχων καθαρότερος και ευκολότερος τρόπος παραγωγής αλουμινίου είναι η ανακύκλωσή του μέσω μιας καθιερωμένης οδού δευτερογενούς παραγωγής, η οποία οι ερευνητές εκτιμούν ότι μειώνει τις εκπομπές κατά περίπου 95%.

Πολτός και χαρτί

Δεν υπάρχουν εκπομπές διεργασίας προς επεξεργασία σε χαρτοπολτό και χαρτί. Η απανθρακοποίηση των συστημάτων και των λεβήτων συνδυασμένης θερμότητας και ισχύος (CHP) είναι αυτό που έχει σημασία εδώ, καθώς και μια σειρά μέτρων απόδοσης για τη μείωση της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας. Η μελέτη υπογραμμίζει επίσης μερικές διαφορετικές προσεγγίσεις για την ξήρανση του χαρτιού, οι οποίες βρίσκονται σε διάφορα στάδια ανάπτυξης.

Ποτήρι

Όπως μπορείτε να φανταστείτε, η θερμότητα από τους κλιβάνους είναι η μεγαλύτερη πηγή εκπομπών όταν πρόκειται για την κατασκευή γυαλιού. Η απλή μετάβαση σε φούρνο ηλεκτρικού ή βιοκαυσίμου μειώνει περίπου το 80% των συνολικών εκπομπών – και στην περίπτωση του ηλεκτρικού, στην πραγματικότητα μειώνετε την κατανάλωση ενέργειας κατά 15-25% σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μεθόδους.

Επιπλέον, η πρόσθετη χρήση φρυγμένων γάστρας και υλικών εισόδου προσφέρει επιπλέον δυνητική μείωση των εκπομπών κατά 5% χωρίς να αυξάνει σημαντικά το κόστος υλικών ή ενέργειας.

Φαγητό και ποτό

Αν και αυτό, όπως και η χημική παραγωγή, είναι ένα πολύ διαφορετικό τμήμα, οι περισσότερες από τις σχετικές εκπομπές προέρχονται από τη χρήση ατμού στις διαδικασίες θέρμανσης και ξήρανσης και την άμεση καύση ορυκτών καυσίμων για συμπαραγωγή. Υπάρχει μια ποικιλία έτοιμων προς χρήση διεργασιών ηλεκτρικών, βιοκαυσίμων, υδρογόνου, μικροκυμάτων, υπερήχων, συμπυκνωμένης ηλιακής ενέργειας, γεωθερμίας και υπεριώδους ακτινοβολίας.

Βιομηχανικά εμπόδια στην απανθρακοποίηση

Σε αυτό το σημείο, η εικόνα είναι αρκετά ξεκάθαρη. Οι περισσότερες βιομηχανικές εκπομπές προέρχονται από τη χρήση θερμότητας και ενέργειας – η συντριπτική τους πλειονότητα μπορεί να ηλεκτροδοτηθεί ή να μετατραπεί σε καθαρά καύσιμα – και από εκπομπές διεργασιών, η συντριπτική πλειονότητα των οποίων μπορεί να δεσμευτεί και να αποθηκευτεί. Υπάρχουν ακόμη ορισμένα τεχνολογικά κενά για απολύτως μηδενικές εκπομπές άνθρακα, ειδικά σε τομείς όπως τα κεραμικά που απαιτούν εξαιρετικά υψηλή θερμότητα – αλλά είναι δυνατό να επιτευχθεί μείωση 85% στις βιομηχανικές εκπομπές χρησιμοποιώντας μηχανήματα και τεχνικές που είναι ήδη διαθέσιμες.

Υπάρχουν όμως πολλά προβλήματα. Για αρχή, μπορείτε να ηλεκτρίσετε ό,τι θέλετε, αλλά μέχρι να απελευθερώσετε το ηλεκτρικό δίκτυο από άνθρακα, απλώς ωθήστε τις εκπομπές προς τα πάνω. Η πρόκληση της μετάβασης σε καθαρά δίκτυα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σε όλο τον κόσμο επιδεινώνεται μόνο από το γεγονός ότι οτιδήποτε ηλεκτρίζει δημιουργεί μεγαλύτερη ζήτηση σε αυτά. Έτσι, οι ενεργειακές εταιρείες όχι μόνο πρέπει να αντικαταστήσουν την υπάρχουσα δυναμικότητα. πρέπει να παράγουν πολύ, πολύ περισσότερη καθαρή ενέργεια από ό,τι λερώνουν ποτέ.

Ομοίως, οι διαδικασίες που απαιτούν υδρογόνο θα απαιτήσουν τεράστια αύξηση της παραγωγής πράσινου υδρογόνου σε όλο τον κόσμο – απαιτώντας ακόμη περισσότερη καθαρή ενέργεια, καθώς και την υποδομή και τα logistics που απαιτούνται για την ασφαλή μετακίνηση και αποθήκευση της.

Και ακόμη και από τη βιομηχανική πλευρά, με τα ορυκτά καύσιμα να εξακολουθούν να είναι πολύ φθηνότερα από την ηλεκτρική ενέργεια σε πολλές αγορές, η ηλεκτροδότηση αυτών των ευκολότερων στόχων απανθρακοποίησης θα μπορούσε να συνεπάγεται αύξηση 200-300% στο λειτουργικό κόστος. Ομοίως, η δέσμευση και αποθήκευση άνθρακα μπορεί επίσης να είναι πολύ ακριβή, προσθέτοντας μεταξύ 10-250 $ στο κόστος σας για κάθε τόνο που υποβάλλεται σε επεξεργασία, ανάλογα με την τεχνολογία που χρησιμοποιείτε και τη διαδικασία απανθρακοποίησης. Αυτό είναι επιπλέον των αναβαθμίσεων πολλών εκατομμυρίων δολαρίων στην ηλεκτρική υποδομή σας, εάν χρησιμοποιείτε μεγάλες ποσότητες ενέργειας. Η ηλεκτροδότηση ορισμένων βιομηχανικών εταιρειών μπορεί να απαιτεί σύνδεση δικτύου κλίμακας γιγαβάτ.

Το αποτέλεσμα, εκτιμούν οι ερευνητές, θα μπορούσε να είναι μια αύξηση 15% στο κόστος παραγωγής χάλυβα παγκοσμίως, μια αύξηση 50-220% στο κόστος των ολεφινών και των αρωματικών ουσιών και μια αύξηση 30% στο κόστος του σκυροδέματος.

Από την άλλη πλευρά, εάν αυτό το πρόσθετο κόστος μετακυλίεται στους καταναλωτές μέσω αυξήσεων τιμών, μπορεί να μην είναι τόσο κακό. μια μελέτη περίπτωσης με επίκεντρο το Ηνωμένο Βασίλειο κατέληξε στο συμπέρασμα ότι «η βιομηχανική απαλλαγή από τις ανθρακούχες εκπομπές σύμφωνα με τον καθαρό μηδενικό στόχο του 2050 θα μπορούσε να επιτευχθεί με συνολική αύξηση των τιμών καταναλωτή λιγότερο από 1%.

Και ενώ η καθαρή ενέργεια μπορεί να αποτελέσει τεράστια πρόκληση αυτή τη στιγμή, τα οικονομικά είναι ισχυρά για την ηλιακή και την αιολική ενέργεια, που είναι ήδη εξαιρετικά ανταγωνιστικά – και ορισμένες κρίσιμες πρόοδοι στην εξαιρετικά βαθιά γεώτρηση θα μπορούσαν να ξεκλειδώσουν γελοίες ποσότητες γεωθερμικής ενέργειας. σχεδόν οπουδήποτε στον πλανήτη, για να μην αναφέρουμε την προηγμένη αρθρωτή πυρηνική ενέργεια – η οποία θα μπορούσε να βάλει την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε βιομηχανική κλίμακα ακριβώς εκεί επί τόπου.

Έτσι, ενώ δεν είναι εύκολο, σίγουρα φαίνεται πιθανό. Και με τη σωστή κυβερνητική καθοδήγηση, καθώς και με οξυδερκή εμπορική σκέψη και με γρήγορο ρυθμό τεχνολογικής ανάπτυξης, υπάρχει λόγος για πολλές ελπίδες.

Η μελέτη είναι ανοιχτής πρόσβασης στο περιοδικό Μονάδα ενέργειας ή έργου.

Πηγή: Πανεπιστήμιο του Λιντς μέσω EurekAlert

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *