Эти производства дают вместе 20% всех выбросов углекислого газа на нашей планете в связи с жизнедеятельностью человека.
Наши города, в основном, построены из металла и цемента. Большинство наших продуктов питания выращивается с применением удобрений, изготовленных из аммиака. Производство этих промышленных товаров сопровождается огромными затратами энергии и выбросами углекислого газа.
На протяжении более чем столетия отрасли спокойно процветали, используя практически неизменные производственные процессы. Но почти назревшая необходимость производства экологически чистых аммиака, стали и цемента неизбежно приведет к существенным изменениям.
Исследования открывают новые возможности для фундаментальных изменений в химических процессах. И в последнее время ведущие игроки объявили о крупных инициативах в каждой из этих трех переломных отраслей.
Две новые технологии рекламируют себя как "решения" для декарбонизации проблемных отраслей. Одна из них - улавливание и хранение углерода (CCS), цель которой - улавливать выбросы CO2 и захоранивать их в геологических структурах, таких как старые нефтяные месторождения или соляные шахты. Другой - "зеленый водород", получаемый путем расщепления воды с использованием возобновляемой энергии. Некоторые считают "зеленый водород" топливом мечты и будущего, которое будет питать все - от самолетов и электростанций до домов и тяжелой промышленности.
Но обе технологии сталкиваются с критикой с технической стороны, да и просто обвинениями в обмане. CCS обвиняют в том, что она разработана скорее для продления жизни отраслей, работающих на ископаемом топливе, чем для декарбонизации мировой экономики. И даже "зеленый" водород, который по сути является конвейером возобновляемой энергии, кажется бессмысленным для тех областей применения, где возобновляемая энергия может быть использована напрямую - например, для автомобилей (электромобилей). Не нужно тратить энергию на производство водорода, так как ее проще (и безопасней) сохранить и использовать без дополнительных технологических переделов.
Тем не менее, каждая технология может сыграть свою роль в определенных отраслях промышленности. Например, водород очень эффективен в качестве топлива для высокотемпературных промышленных процессов. Поэтому "зеленый" водород иногда может стать реальным решением для тяжелых отраслей промышленности, которые в настоящее время требуют ископаемого топлива в качестве части процесса (сталь), уже используют водород (удобрения) или нуждаются в высоких температурах, которые дает водород (цемент).
В настоящее время на производство стали приходится 11% антропогенных выбросов CO2. В основном производство начинается с сжигания угля вместе с железной рудой в доменной печи. Уголь выделяет тепло, но и является частью химического процесса в печи. Он отбирает кислород из руды для получения чистого железа - чугуна, который превращается в сталь в электродуговой печи. А в результате соединения углерода в угле с кислородом в руде образуется большое количество углекислого газа. Весь процесс в среднем выбрасывает 2,2 тонны CO2 на каждую тонну стали.
Что же можно сделать, чтобы сократить эти выбросы?
Более эффективное использование и переработка лома всегда должны быть приоритетным направлением. Вторичная переработка позволяет избежать стадии доменной печи с ее большими выбросами. Лом подается в электродуговую печь, которая обычно производит всего 0,3 тонны CO2 на каждую тонну стали. Выбросы можно сократить еще больше, если отказаться от ископаемого топлива для производства электроэнергии. Но потенциальные выгоды от вторичной переработки ограничены, считают аналитики. Около 85% неиспользуемой стали (в Европе) уже собирается для вторичной переработки. Но этот переработанный лом составляет лишь около трети общего объема производства стали, согласно данным Международного энергетического агентства (МЭА).
Широкое внедрение CCS потенциально может привести к дальнейшему сокращению выбросов. Но еще большие выгоды может принести полный отказ от доменной печи. Основной альтернативный подход к производству чугуна заключается в пропускании через руду огромного постоянного электрического тока. Этот процесс, известный как электролиз, позволяет, например, превратить бокситовую руду в алюминий. Потребность в энергии огромна, но без использования угля в самом процессе, эта энергия может поступать из низкоуглеродного источника, например, водорода. Поэтому "зеленый водород" считается жизненно важным для "зеленой стали".
Этот водородный путь в настоящее время пробуют использовать в Европе под государственные субсидии компания ArcelorMittal, второй по величине производитель стали в мире, так и в рамках проекта, объявленного в начале этого месяца в Нидерландах индийской компанией Tata Steel.
Такой эксперимент имеет все шансы на тиражирование. Привлекательность подхода заключается в том, чтобы производить водород на той же площадке, что и сталь. Не нужно закупать ископаемое топливо за много километров или импортировать.
За последние полвека производство аммиачных удобрений было одной из самых быстрорастущих отраслей мировой промышленности. Оно стало основой сельскохозяйственной "зеленой революции" конца 20-го века и сегодня питает сельскохозяйственные культуры, которые кормят 40 процентов населения мира. Удобрения - это, безусловно, основное применение для 176 миллионов тонн аммиака, производимого ежегодно.
Аммиак производится с помощью процесса Хабера-Боша, изобретенного немецким химиком Фрицем Хабером в 1908 году. Спустя десятилетие он получил Нобелевскую премию.
Процесс состоит из двух этапов. Сначала производится водород, обычно из природного газа; затем водород вступает в реакцию с атмосферным азотом. Для этого необходимо разрушить прочные связи, удерживающие вместе молекулы азота в воздухе, а это требует высокого давления и температуры около 500 градусов Цельсия.
Как производство водорода, так и синтез аммиака являются энергоемкими. Весь процесс, осуществляемый на гигантских промышленных предприятиях, приводит к выбросу примерно двух тонн CO2 на каждую тонну аммиака и отвечает примерно за 2 процента антропогенных выбросов CO2.
Удобрения являются одним из самых расточительных видов продуктов промышленности. Лишь менее половины того, что выливается на поля, попадает непосредственно к растениям, и эта доля в последние годы снижается. Это не только приводит к ненужным выбросам CO2, но и наводняет азотом природную среду, вызывая цветение водорослей в реках, мертвые зоны в океанах и нанося ущерб биоразнообразию практически повсеместно. Поэтому более эффективное использование удобрений должно стать одним из главных приоритетов.
Но, помимо этого, обе стадии процесса производства удобрений должны быть декарбонизированы. Первая стадия, производство водорода, видится наиболее достижимой. В апреле этого года крупнейший в мире производитель аммиака, компания CF Industries, объявила о планах "озеленить" часть производства водорода на своем крупнейшем производственном комплексе в Дональдсонвилле, штат Луизиана. Она устанавливает оборудование немецкого производства (предположительно Siemens Energy) для получения водорода путем электролиза воды с использованием возобновляемой энергии.
Декарбонизация второго этапа - синтеза аммиака - требует значительного усовершенствования - или замены - существующего процесса. В этом случае катализаторы играют ключевую роль. Они необходимы для разрушения прочной связи молекулы азота, чтобы этот элемент мог соединиться с водородом. Однако, подобрать низкотемпературный катализатор пока не особо получается. Тот, кто предложит рынку решение, определенно безумно разбогатеет.
Третьим углеродным динозавром - и потенциально самым сложным для реформирования - является портландцемент, названный так потому, что он похож на строительный камень, добываемый в Портленде, полуострове на юге Англии.
В процессе производства мел или известняк (карбонат кальция) смешивается с глиной и обжигается в печи при температуре 1450 градусов Цельсия, что вызывает химические изменения, в результате которых образуется твердое вещество, называемое клинкером, которое затем соединяется с гипсом для получения цемента. Затем цемент смешивается с наполнителями и водой для получения бетона.
Высокая температура в печи требует большого количества энергии, обычно получаемой при сжигании ископаемого топлива, которое выделяет CO2. Кроме того, когда карбонат кальция преобразуется в печи, основным побочным продуктом является еще больше углекислого газа. Когда топливом для печей служит уголь, печи выбрасывают около одной тонны CO2 на каждую тонну произведенного цемента.
Ежегодно в мире производится более 4 миллиардов тонн портландцемента - более полутонны на каждого жителя планеты. Из него построен наш мир плотин, дорог, мостов, башенных блоков, дамб и т.п. И на него приходится около 8 процентов антропогенных выбросов CO2.
Как это изменить?
В то время как большая часть мировой стали можно пустить на вторичную переработку, то с бетоном так не получится. Здания могут быть спроектированы таким образом, чтобы их можно было разобрать на части и использовать их компоненты повторно. Но лишь немногие из них перерабатываются. Когда приезжают команды разрушителей, мало что из образовавшихся обломков находит дальнейшее применение, кроме как на свалке или в качестве наполнителя.
А как же сам процесс производства цемента?
Если заменить уголь в печи зеленым водородом, то это позволит сократить общие выбросы CO2 - но только на треть. Значит, необходимо что-то сделать, чтобы избавиться от CO2, образующегося в процессе производства.
Одним из способов является CCS для улавливания выбросов CO2. МЭА в своем недавнем отчете о путях достижения нулевого уровня выбросов считает, что CCS обеспечит до 55% потенциального сокращения выбросов в промышленности к 2050 году.
Другой способ - найти промышленное применение CO2. Ранее французский производитель цемента Vicat объявил о планах перенаправления 40 процентов CO2 из своей печи в Монталье-Версье под Лионом на производство метанола для заправки новых контейнеровозов, которые строит крупнейшая в мире судоходная компания Maersk.
Но существуют также варианты декарбонизации за счет изменения сырьевых материалов в процессе производства цемента. МЭА утверждает, что потенциально до половины клинкера в цементе можно заменить другими материалами, начиная от сырого известняка и заканчивая золой от электростанций, выброшенными шинами и бытовым мусором.
Немецкие ученые предложили более радикальные меры, что по крайней мере половина известняка в печи может быть заменена богатой глиноземом глиной, известной как глина Балтерра, которая часто залегает в геологических запасах бокситов, сырья для производства алюминия. Считается, что этот цемент из сульфоалюмината кальция позволяет избежать выбросов CO2 при обжиге карбоната кальция и снизить температуру обжига с 1450 до 1250 градусов Цельсия.
Другое потенциальное решение, изобретенное 20 лет назад австралийским промышленным химиком Джоном Харрисоном, заключается в замене известняка аналогичной породой - карбонатом магния, часто называемым магнезитом, который содержится в минерале магнетите и в смесях с карбонатом кальция, например, в породах, известных как доломит, который обжигается при гораздо более низких температурах, около 650 градусов Цельсия, что требует лишь половины энергии. Но Харрисон говорит, что самым большим преимуществом карбоната магния является способность получаемого бетона поглощать атмосферный CO2 в процессе эксплуатации.
Эта "карбонизация" продолжается до тех пор, пока материал находится в воздухе, потенциально восстанавливая весь CO2, высвобожденный при его производстве. Таким образом, по его словам, конструкции из его "эко-цемента" могут действовать подобно дереву - постоянно поглощая CO2.
Очевидно, что те, кто вложит средства и создаст наиболее эффективные технологии декарбонизации в этих трех областях, явно озолотится.
Здесь можно скачать книгу про технологические процессы и загрязняющие выбросы.
#Декарбонизация #ТЕХНОЛОГИИ #промышленность
