مهندسی انرژی در خط مقدم تلاش های جهانی برای کاهش بخش صنعتی قرار دارد که تقریبا یک سوم کل انتشار گازهای گلخانه ای را در سراسر جهان به کار می برد و با استفاده از اصول ترمودینامیک، علوم مواد و مهندسی برق، سیستم های طراحی مهندسان انرژی که مصرف انرژی را کاهش می دهند، بهره وری را افزایش می دهند و منابع انرژی کم کربن را ادغام می کنند، این تحول نه تنها یک چالش فنی بلکه یک چالش استراتژیک برای دستیابی به اهداف آب و هوا است.

درک دی کربنات در صنعت

دی کربنات به کاهش سیستماتیک دی اکسید کربن (CO2) از فرآیندهای صنعتی و استفاده از انرژی اشاره دارد.بخش صنعتی شامل طیف گسترده ای از فعالیت ها، از تولید فولاد و سیمان به تولید شیمیایی و پردازش مواد غذایی است.هر یک از این صنایع دارای نیازهای انرژی منحصر به فرد، اغلب نیاز به حرارت بالا، واکنش های شیمیایی، یا فرایندهای تحول مواد است که از نظر تاریخی به سوخت های فسیلی متکی هستند.

حذف در صنعت از دو منبع اصلی ناشی می شود: انتشار گازهای گلخانه ای از سوخت های فسیلی برای تولید گرما و قدرت و پردازش انتشار گازهای گلخانه ای از واکنش های شیمیایی ذاتی به تولید (به عنوان مثال، پرکالمات در ساخت سیمان) هر دو نیاز به یک نمونه کارها از راه حل های مهندسی انرژی دارند، از جمله جایگزین دیگ بخار زغال سنگ با پمپ های حرارتی، پیاده سازی گرما و سیستم های تولید همزمان و یا سیستم های پیشرفته.

مقیاس این چالش بسیار زیاد است.با توجه به آژانس بین المللی انرژی (IEA)، انتشار مستقیم CO2 صنعتی در سال 2022 حدود 9.0 گیگاتن بود که تقریبا 25 درصد کل گازهای گلخانه ای مرتبط با انرژی را بدون کاهش سریع، انتشار گازهای گلخانه ای می تواند اهداف آب و هوایی جهانی را تضعیف کند و نوآوری انرژی را نه تنها مفید بلکه ضروری می کند.

استراتژی های کلیدی در مهندسی انرژی

مهندسان انرژی طیف وسیعی از استراتژی های طراحی شده را به زمینه های صنعتی خاص اعمال می کنند.این استراتژی ها شامل مداخلات فنی، عملیاتی و سیستمیک می شوند.

  • ادغام انرژی تجدید پذیر: صنایع می توانند به نسل تجدید پذیر در محل با استفاده از آرایه های فتوولتائیک خورشیدی، توربین های بادی یا سیستم های زیست توده ای انتقال دهند. صنایع می توانند به تولید بزرگ، قراردادهای خرید برق (PPAs) تضمین می کند که یک منبع ثابت از راه حل های نوآورانه مانند حرارت متمرکز خورشیدی (CST) فراهم می کند تا 400 درجه حرارت باز شود، و امکانات جدید برای پردازش مواد غذایی مانند بخش های جدید مانند مواد غذایی و مواد غذایی.
  • بهبود بهره وری انرژی: این همچنان مقرون به صرفه ترین اندازه نزدیک به مدت است. تاکتیک های کلیدی شامل مواد عایق پیشرفته مانند aerogels، ژنراتور بخار حرارتی (HRSG) که جذب گرما از جریان های اگزوز، و درایوهای فرکانس متغیر (VFD) که بهینه سازی سرعت حسابرسی انرژی و معیار استفاده از استانداردهای هدایت و سرمایه گذاری های ISO1 در هدایت و هدایت برجسته سازی.
  • تخصیص فرایندها: تغییر از احتراق مبتنی بر سوخت فسیلی به سیستم های الکتریکی که توسط برق تمیز استفاده می شود، به دست آوردن حرکت است. کوره های کمان الکتریکی (EAF) برای فولادسازی فولاد می تواند بر برق تجدید پذیر اجرا شود، در حالی که بخار های الکتریکی و پمپ های حرارتی برای فرآیندهای دما متوسط (تا 200 درجه سانتیگراد)، برای فن آوری های تولید سوخت های الکتریکی مانند احتراق پلاسما، قابل دسترس هستند.
  • ] جذب کربن، استفاده و ذخیره سازی (CCUS): برای بخش های سخت به جذب مانند سیمان و مواد شیمیایی، ثبت CO2 در منبع ضروری است. پس از بارگیری با استفاده از اسکراب به صورت تجاری اثبات شده است، در حالی که روش های جدید مانند ضبط مستقیم هوا (DAC) استارتاپ های تولید کربن، مواد بهبود یافته و یا سوخت های نفتی، تولید می توانند از آن استفاده کنند.

نوآوری های رانندگی تغییر

پیشرفت های اخیر در مهندسی انرژی سرعت تخریب صنعتی را تسریع می کند، این نوآوری ها هم موانع فنی و هم اقتصادی را در نظر می گیرند و راه حل های کم کربن را در مقیاس قابل دوام تر می کنند.

تولید هیدروژن سبز

هیدروژن سبز، تولید شده از طریق الکترولیز با استفاده از برق تجدید پذیر، به عنوان سوخت تمیز برای فرآیندهای صنعتی با درجه حرارت بالا و به عنوان یک خوراک شیمیایی در فولاد، هیدروژن می تواند جایگزین coke در فرآیندهای کاهش مستقیم، بخار آب را به جای CO2، پروژه هایی مانند ابتکار HYBRIT در سوئد قبلا فولاد بدون فسیلی در مقیاس آزمایشی تولید کرده است.

پیشرفته مواد و ذخیره سازی حرارتی

مواد جدید در حال بهبود بهره وری انرژی و امکان طرح های فرآیند جدید هستند. عایق سرامیکی با درجه حرارت بالا کاهش گرما در کوره ها را کاهش می دهد، در حالی که مواد تغییر فاز (PCM) انرژی حرارتی را برای استفاده در طول تقاضای اوج ذخیره می کنند.

دیجیتال سازی و AI در مدیریت انرژی

هوش مصنوعی (AI) و اینترنت صنعتی چیزها (IIoT) نظارت و بهینه سازی زمان واقعی استفاده از انرژی را فعال می کند. مدل های یادگیری ماشین پیش بینی تقاضای انرژی، شناسایی ناهنجاری در عملکرد تجهیزات و بهینه سازی فرآیندهای احتراق هوشمند همراه با دوقلوهای دیجیتال اجازه می دهد مهندسان قبل از انجام سرمایه، کاهش ریسک و زمان پیاده سازی، به عقب نشینی بپردازند.

انتخاب گرما بالا- ⁇

یکی از سخت ترین چالش ها، فرایندهای الکتریکی است که نیاز به حرارت بالاتر از 1000 درجه سانتی گراد، مانند تولید کوره های سیمان و ذوب شیشه ای، فن آوری های الکتریکی جدید شامل گرمایش القا برای فلزات، پردازش کمک مایکروویو برای مواد معدنی و کوره های مبتنی بر پلاسما است. موسسات تحقیقاتی و استارتاپ ها این روش ها را آزمایش می کنند، با نتایج اولیه نشان می دهد کاهش انرژی 20 -30٪ در مقایسه با احتراق معمولی.

مطالعات موردی: برنامه های کاربردی واقعی جهانی

چندین رهبر صنعتی در حال حاضر امکان کاهش عمیق کربن از طریق راه حل های مهندسی انرژی را نشان داده اند.

فولادسازی با هیدروژن سبز

تولید کننده فولاد سوئد، در همکاری با LKAB و Vattenfall، فرآیند HYBRIT را توسعه داد و با استفاده از هیدروژن به جای زغال سنگ در کاهش مستقیم، این فرایند آب را به عنوان یک محصول جانبی منتشر می کند. در سال 2021، اولین فولاد بدون فسیلی تحویل داده شد. این پروژه با هدف جایگزینی 90٪ از استفاده از زغال سنگ این تاسیسات توسط 2030، کاهش انتشار گازهای گلخانه ای 10 میلیون تن در سال است.

تولید سیمان با کربن

کارخانه سیمان Norcem در برویک، نروژ، یک مرکز CCUS کامل را ادغام می کند.این گیاه CO2 را از گاز آنفولانزا با استفاده از تکنولوژی amine جذب می کند و آن را در زیر دریای شمال تحت پروژه نورهای شمالی ذخیره می کند.این رویکرد می تواند انتشار این تاسیسات را تا 50٪ کاهش دهد و انتظار می رود یک طرح برای سایر گیاهان سیمان در سطح جهانی تنظیم شود.

تولید شیمیایی با Waste Heat Recovery

BASF، یکی از بزرگترین شرکت های شیمیایی جهان، یک سیستم بازیابی کامل زباله را در سایت لودویگshafen خود اجرا کرد و با گرفتن گرمای کم دما از جریان های فرآیند و ارتقاء آن با پمپ های حرارتی، BASF مصرف گاز طبیعی را 20٪ کاهش داد در حالی که بهبود بهره وری کلی انرژی، سیستم از زیرساخت های موجود استفاده می کند و دوره بازپرداخت را در زیر چهار سال دارد.

چالش ها و چشم انداز آینده

علی رغم وعده این تکنولوژی ها، موانع سیستمیک به طور فزاینده ای به سرعت تصویب می شوند: بسیاری از راه حل های کم کربن نیاز به سرمایه گذاری قابل توجهی دارند و دوره های بازپرداخت اغلب طولانی تر از چرخه های مالی شرکت ها است.

یکی دیگر از موانع قابلیت اطمینان فنی و بلوغ است، در حالی که کوره های کمان الکتریکی به خوبی برای فولاد مبتنی بر قراضه تثبیت شده اند، تولید فولاد از سنگ آهن باکره با استفاده از هیدروژن نیاز به بهینه سازی بیشتر دارد، به طور مشابه، فن آوری های CCUS برای دهه ها در مقیاسی مستقر شده اند، اما بهره وری و ادغام آنها با فرآیندهای صنعتی نیاز به بهبود دارند.

زیرساخت یک مانع سوم است.انتقال به هیدروژن سبز نیاز به خطوط لوله و تاسیسات ذخیره سازی دارد، در حالی که برق سازی نیاز به ارتقاء شبکه دارد، بسیاری از سایت های صنعتی در مناطق با دسترسی به انرژی تجدید پذیر محدود یا ظرفیت شبکه، و به نسل محلی یا خطوط انتقال جدید است.

حمایت از سیاست ها ناهموار است، در حالی که مکانیسم تنظیم مرزهای کربن اتحادیه اروپا (CBAM) و قانون کاهش تورم ایالات متحده (IRA) مشوق هایی را ارائه می دهد، بسیاری از اقتصادهای صنعتی فاقد سیگنال های قیمت گذاری کربن روشن و قابل پیش بینی برای سرمایه گذاری خصوصی هستند.

نقش سیاست و آموزش

دولت ها می توانند از طریق ترکیبی از مقررات، یارانه ها و سیاست های قیمت گذاری کربن مانند تعرفه های تغذیه برای حرارت تجدید پذیر، اعتبارات مالیاتی سرمایه گذاری برای CCUS و تدارکات عمومی سبز تقاضای بازار برای محصولات کم کربن و آموزش و پرورش و آموزش به همان اندازه مهم است: دانشگاه ها و مدارس فنی باید اصول مهندسی انرژی را به برنامه های درسی ادغام کنند، در حالی که برنامه های توسعه حرفه ای مداوم کمک به مهندسان در حال ظهور با فن آوری های فعلی است.

همکاری بخش صلیب نیز بسیار حیاتی است، به عنوان مثال، خوشه های صنعتی می توانند گرما، هیدروژن و زیرساخت CO2 را به اشتراک بگذارند، هزینه های همه شرکت کنندگان را کاهش دهند. چنین اکوسیستم هایی نیازمند هماهنگی بین صنعت، دانشگاه و سیاست گذاران است.

نتیجه گیری

مهندسی انرژی برای سفر de کربنات صنعتی ضروری است.از ادغام تجدید پذیر و انتخاب کننده به جذب کربن و بهینه سازی دیجیتال، این راه حل ها راه های عملی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای را ارائه می دهند در حالی که چالش ها همچنان ادامه دارند - هزینه، مقیاس پذیری و تراز سیاست - مسیر روشن است: ادامه نوآوری و سرمایه گذاری استراتژیک صنایع را قادر می سازد تا اهداف آب و هوایی را در حالی که رقابت باقی مانده با استقبال از مهندسی انرژی، رهبران پایدار و پایدار می توانند یک آینده امن داشته باشند.