Зависимость химической промышленности от ископаемого топлива представляет собой серьезную проблему с точки зрения выбросов. Например, в Европе на 26 химических соединений приходится 75% общего энергопотребления химического сектора (включая энергию, используемую в качестве сырья) и более 90% выбросов парниковых газов европейского химического сектора (150 млн. тонн, или 0,6% от общемирового объема выбросов). Если сектор продолжит свой текущий рост, то к 2050 году выбросы этого химического сырья составят 200 млн. тонн CO2-эквивалентов.
Спрос на тяжелые нефтехимические продукты, такие как этан и нафта, продолжает расти. Их используют для производства потребительских товаров, например средства личной гигиены, консерванты, удобрения и мебель, которые будут необходимы в больших количествах для снабжения растущего мирового среднего класса. Должна быть найдена менее интенсивная альтернатива производству химического сырья - диоксида углерода, чтобы снизить будущие выбросы.
Технология электросинтеза на основе возобновляемых источников энергии.
Возобновляемый электросинтез потенциально может быть нацелен на дорогостоящие химические вещества (например, этилен, этанол) в качестве стратегии выхода на рынок. Эти важные химические продукты сегодня зависят от энергоемких термохимических путей при высоких температурах и высоком давлении. Высокоценные химические вещества, получаемые из возобновляемых источников энергии, могут стать шагом в направлении широкомасштабного внедрения технологий электросинтеза, тем самым улучшая методы производства. Эта стратегия позволяет избежать краткосрочной прямой конкуренции с топливом, получаемым из сланцевого газа. Однако, стоимость многих химических веществ всё еще связана с природным газом, поскольку природный газ является одним из основных видов сырья.
В долгосрочной перспективе необходимо будет наладить химические процессы в сырьевых товарах, которые могут быть реализованы в гигатонных масштабах, чтобы добиться существенного сокращения выбросов углерода.
Например, муравьиная кислота сегодня представляет собой небольшую часть мирового рынка. Полный переход на ее нейтральное с точки зрения выбросов производство приведет лишь к незначительному сокращению глобальных выбросов углерода. Однако. это может измениться в будущем, если прогресс в области муравьиных кислотных топливных элементов или использование муравьиной кислоты в качестве переносчика водорода продолжится.
Более совершенные промышленные электрокаталитические технологии, такие как хлор-щелочные элементы, водородные электролизеры и топливные элементы, служат примерами и направлениями для продвижения "дорожной карты" от лабораторных до промышленных масштабов электрохимического синтеза.
Возобновляемые источники энергии, работающие на электрохимическом преобразовании диоксида углерода в химические вещества, могут быть реализованы для использования преимуществ точечных источников относительно чистых выбросов, таких как выбросы:
- от производства цемента,
- пивоваренного и винокуренного производства,
- от различных предприятий по переработке топлива.
Электросинтез товарных химических веществ может производиться в месте использования, что требует меньше инфраструктуры для обработки и распределения, чем это необходимо для производства топлива. Проблема оптимизации в значительной степени будет зависеть от типа и масштаба источников углекислого газа. Кроме того, необходимо учитывать сложность управления цепочками поставок; расходы на транспортировку и хранение между точечными источниками выбросов CO2 и конечными потребителями продукции.
Электросинтез должен быть сначала масштабирован и проверен в практических условиях в течение тысяч часов химического производства. Затем могут быть выбраны виды топлива на основе углерода, обеспечивающие стратегию долгосрочного (т.е. сезонного) хранения энергии.
- Меняющийся во времени и непредсказуемый характер возобновляемых источников энергии с низким уровнем выбросов углерода, таких как ветер и солнце, ограничивает их использование для замены электростанций, работающих на ископаемом топливе.
- Аккумуляторные батареи и другие накопители энергии (такие как сжатый газ или маховики) могут обеспечить краткосрочное хранение в масштабах часов или даже дней, но все еще существует необходимость в сезонном хранении.
Существующая электросетевая инфраструктура недостаточно хорошо спроектирована для поглощения избыточной выработки электроэнергии из возобновляемых источников, что приводит к несоответствию между спросом и предложением:
- В периоды пиковой выработки избыточное предложение обычно приводит сегодня к отрицательным ценам на электроэнергию на некоторых рынках. Эта проблема изменчивости ограничивает широкомасштабное использование низкоуглеродных источников энергии в масштабах тераватта.
Электросинтезированные виды топлива могут обеспечить путь к превращению возобновляемой электроэнергии в стабильные химические формы хранения и транспортировки, что позволит повысить проникновение и диспетчерскую способность возобновляемых источников энергии.
Цена на электроэнергию на сегодняшний день является крупнейшим драйвером затрат. Затраты на производство электрохимической продукции начинают соответствовать затратам традиционных процессов, связанных с добычей ископаемого топлива, когда цены на электроэнергию падают ниже 4 центов за кВт/ч, а эффективность преобразования энергии достигает не менее 60%. При питании от возобновляемой энергии эти продукты могут производиться с чистыми отрицательными выбросами углекислого газа.
Сравнительный анализ электрокаталитического, биокаталитического и органического химического производства показывает, что электрокаталитическое производство может дать наибольшее сокращение выбросов углерода при условии наличия стабильного снабжения чистой электроэнергией. Обсуждаются технические проблемы, такие как срок службы, энергоэффективность и разделение продуктов. Рассматриваются также вопросы управления цепочками поставок продукции и укоренившейся промышленной нефтехимической конкуренцией.
Все более широкое признание получает необходимость перехода на безуглеродные средства химического производства. Механизмы ценообразования на CO2 разрабатываются и получают поддержку со стороны государства. Зарождающаяся экономика утилизации углерода набирает обороты: компании-стартаперы, международные промышленные исследования - все они стремятся к новым технологиям преобразования углерода.
Последние достижения в области электрохимического сокращения выбросов CO2 за счет использования газ-диффузионных электродов толкают плотность тока и селективность в область промышленного использования. Несмотря на этот прогресс, сохраняются технические проблемы, которые необходимо преодолеть для коммерческого применения. Кроме того, рыночные барьеры и экономические затраты, в конечном счете, определят, получит ли эта технология широкое распространение.