Инновационные подходы к совместному использованию биоэнергетики и минеральных ресурсов

Растущий императив интегрированного управления ресурсами

В глобальной гонке за чистые нулевые выбросы и круговые экономики параллельное расширение использования биоэнергии и минеральных ресурсов представляет собой как проблему, так и возможность. Биоэнергетика, полученная из органических веществ, таких как сельскохозяйственные остатки, отходы лесного хозяйства и специализированные энергетические культуры, по прогнозам, обеспечит до 20% мировой первичной энергии к 2050 году в амбициозных климатических сценариях. Одновременно спрос на критически важные минералы - литий, кобальт, редкоземельные элементы и промышленные агрегаты - стремительно растет из-за электрификации, инфраструктуры возобновляемых источников энергии и цифровизации.

Традиционно эти два ресурсных потока управляются изолированно. Добыча полезных ископаемых в значительной степени зависит от энергии, получаемой из ископаемых источников, в то время как производство биоэнергии часто игнорирует минеральное содержание сырья. Однако возникает новая парадигма: совместное использование, где взаимодополняющие характеристики биоэнергии и минеральных ресурсов намеренно используются для создания более эффективных, менее расточительных и экономически более сильных систем. В этой статье рассматриваются инновационные подходы, способствующие интеграции, преимущества и барьеры, а также реальные примеры, указывающие на более устойчивое будущее.

Понимание совместного использования: определения и фундаментальные синергии

Совместное использование относится к одновременному или последовательному использованию биоэнергетических ресурсов и минеральных ресурсов таким образом, чтобы улучшить общую цепочку создания стоимости.По своей сути концепция использует синергию: биоэнергия может поставлять тепло, энергию или химические вещества, необходимые для переработки полезных ископаемых, в то время как побочные продукты полезных ископаемых могут повысить эффективность преобразования биоэнергии, уменьшить выбросы или служить ценным побочным продуктом.

Основные принципы, лежащие в основе совместного использования, включают:

• Дополняемость свойств: Биомасса часто содержит летучие вещества, влагу и щелочи, которые могут быть использованы для термической обработки руд; минеральные матрицы могут действовать как сорбенты или катализаторы в биоэнергетических реакциях.
• Круговой поток материалов: Отходы из одного потока становятся входными для другого, сокращая засыпку и добычу девственных ресурсов.
• Связь энергоматериалов: Использование возобновляемой биоэнергии для добычи полезных ископаемых снижает углеродный след добычи полезных ископаемых, в то время как добавки на основе минералов могут обеспечить более эффективное производство биоэнергии.

Отойдя от изолированных операций, отрасли могут достичь более низких эксплуатационных расходов, продления ресурсного срока службы и согласования с экологическими, социальными и управленческими целями (ESG). Для более широкого контекста по круговому управлению ресурсами доклад Международного энергетического агентства о полезных ископаемых в переходе на чистую энергию обеспечивает основополагающее чтение.

Технические соображения: Проблемы включают в себя переменную плотность влаги и энергии биомассы, необходимость предварительной обработки (сухость, гранулирование) и обеспечение последовательного снабжения. Однако достижения в области террфекции биомассы и пиролиза производят сырье с более высокой плотностью энергии, которое лучше имитирует ископаемое топливо. Исследование Европейской комиссии по устойчивому снабжению биомассы обсуждает потенциалы исходного сырья в масштабе.

2. Использование минеральных побочных продуктов в производстве биоэнергии

И наоборот, многие побочные продукты минеральной промышленности — шлаки, пепел, пыль, хвосты — содержат ценные компоненты, которые могут усиливать процессы биоэнергетики или служить побочными продуктами. Этот подход замыкает петлю и превращает обязательства по отходам в ресурсы.

• Шлак в качестве катализатора или катализаторной поддержки: Шлаки стали, богатые кальцием, железом и оксидами магния, могут использоваться в качестве катализаторов для газификации или пиролиза биомассы, увеличивая растрескивание смолы и выход водорода. Лабораторные исследования показали, что катализаторы на основе шлака улучшают качество сингаза за счет снижения содержания смолы на 60-80%.
• Плетающая зола в качестве поправки к почве после производства биоэнергии: Пепел от сжигания биомассы содержит калий и фосфор; в сочетании с минеральной золой от угля (совместное сжигание) он может быть сформулирован как удобрение с медленным высвобождением, возвращая питательные вещества в сельское хозяйство и лесное хозяйство.
• Красная грязь из бокситов:] Эти высокощелочные отходы могут использоваться в качестве сорбента для улавливания CO2 из биогазовой модернизации или в качестве катализатора для производства биодизеля.Исследователи из Университета Квинсленда продемонстрировали, что красная грязь достигает до 90% скорости метанирования при использовании в качестве поддержки катализаторов никеля.

Влияние на экономику замкнутого цикла: Перепрофилируя побочные продукты минерального сырья, компании избегают затрат на свалку, сокращают потребность в первичных катализаторных материалах и создают новые источники дохода. Например, целлюлозный завод в Австрии использует богатый кальцием известковый ил из горнодобывающей промышленности для улавливания серы при сжигании биомассы, снижая затраты на скруббер и создавая товарный гипсовый продукт.

3. Интегрированные агро-майнинг-биоэнергетические системы

Более целостная стратегия совместного использования предполагает объединение культивирования биомассы с добычей полезных ископаемых на одной и той же земле. Эта концепция, иногда называемая «фитоминированием» или «агроминированием», использует растения, которые гипераккумулируют металлы из почвы. Затем собранная биомасса обрабатывается для извлечения как металлов, так и энергии.

• Никелевое фитоминирование: Такие виды, как Alyssum murale и Berkheya coddii, могут накапливать до 2—3% никеля в своём сухом веществе. После сбора биомасса сжигается или газифицируется, производя биоэнергию и богатую никелем золу (био-оре), которую можно выплавить непосредственно. Это позволяет избежать необходимости добычи в открытых карьерах в низкосортных никелевых почвах.
• Энергетические культуры на хвостохранилищах шахт: Лесные земли, нарушенные добычей полезных ископаемых, могут быть восстановлены с помощью быстрорастущих деревьев (например, ивы, тополя), которые поглощают остаточные металлы и производят биомассу для местного централизованного отопления.

Пилотные проекты по разработке фитоминаров в Албании и на Балканах показали, что производство никеля из биомассы может быть конкурентоспособным с обычной добычей по ценам на никель выше 15 000 долларов за тонну, а также предоставление кредитов на возобновляемую энергию.

4.Термохимическое превращение с минеральными добавками

Минеральные добавки могут быть введены непосредственно в процессы преобразования биомассы для повышения эффективности, сокращения выбросов или получения более ценных результатов.

• Сорбенты на основе кальция в газификаторах с псевдоожиженным слоем: Добавление известняка или доломита к слою улавливает CO2 и серу, что позволяет генерировать углерод-отрицательную энергию посредством химического петли. Это активная область исследований в таких учреждениях, как Университет Британской Колумбии.
• Железные руды в качестве носителей кислорода при химическом циклическом горении:] Вместо сжигания биомассы с воздухом частицы железной руды переносят кислород из воздушного реактора в топливный реактор, производя концентрированный поток CO2, пригодный для улавливания. Эта технология позволяет биоэнергию с улавливанием и хранением углерода (BECCS) при совместном производстве богатых железом остатков, которые могут использоваться в сталелитейном производстве.
• Минеральные катализаторы для гидротермального сжижения: При преобразовании влажной биомассы в биосырую, добавление цеолитов или материалов на основе глинозема улучшает выход и качество масла, снижая содержание кислорода и вязкость.

Эти подходы размывают грань между биоэнергией и переработкой полезных ископаемых, создавая полностью интегрированные промышленные симбиозы.

Преимущества совместного использования: мультимерное преимущество

Экологическая устойчивость

Совместное использование сокращает выбросы парниковых газов за счет замены ископаемых видов топлива возобновляемой биомассой при переработке полезных ископаемых и за счет улавливания или предотвращения выбросов из потоков отходов. Циркулярное использование побочных продуктов также снижает спрос на добычу первичных материалов и сокращает захоронение отходов. Анализ жизненного цикла интегрированных систем последовательно показывает более низкие выбросы углерода и воды по сравнению с отдельными операциями.

Эффективность использования ресурсов

Комбинированные системы извлекают больше ценности из каждой тонны ресурса. Например, использование золы биомассы в качестве удобрения означает, что питательные вещества из сырья биомассы (которые в противном случае были бы потеряны) становятся частью замкнутого цикла. Аналогичным образом, использование красной грязи в качестве катализатора расширяет полезность продукта отходов, который в противном случае потребовал бы длительного хранения.

Экономические преимущества

Интеграция может снизить затраты на энергию для шахт (особенно в отдаленных районах, где биомасса доступна на местном уровне), снизить сборы за удаление отходов и создать новые доходы от сопутствующих продуктов. Глобальный рынок промышленного симбиоза, где совместное использование является ключевым элементом, по прогнозам, будет расти на 8-10% ежегодно до 2030 года. Ранние пользователи, вероятно, получат конкурентные преимущества по мере ужесточения цен на углерод.

Проблемы и барьеры на пути их реализации

Технические трудности

Характеристики биомассы (влажность, состав золы, сезонная доступность) должны быть сопоставлены с конкретными минеральными процессами. Например, биомасса с высоким содержанием щелочи может вызывать зашлакованность и загрязнение в котлах, предназначенных для ископаемого топлива. Часто требуется предварительная обработка и последовательный контроль качества, добавление капитальных и эксплуатационных затрат. Кроме того, интеграция двух различных промышленных процессов требует тщательной инженерии, чтобы избежать узких мест и поддерживать надежность.

Экономическая жизнеспособность

Многие технологии совместного использования все еще находятся на экспериментальном или демонстрационном уровне. Капитальные инвестиции в модернизацию существующих минеральных заводов или строительство новых интегрированных объектов могут быть высокими. Кроме того, цена на биомассу и побочные продукты полезных ископаемых может быть неустойчивой. Для преодоления экономического разрыва часто необходима политическая поддержка, такая как кредиты на выбросы углерода или льготные тарифы на возобновляемую теплоэнергию.

Регуляторные и политические пробелы

Совместное использование часто находится между традиционными отраслевыми правилами. Классификация отходов минеральных побочных продуктов может ограничивать их использование в качестве катализаторов или удобрений. Разрешения на использование комбинированных объектов могут потребовать более длительного времени рассмотрения. Необходима последовательная политическая основа, которая признает синергетические преимущества. Для обзора рекомендаций по политике Перспективы глобальных ресурсов Программы ООН по окружающей среде предлагает идеи по интегрированному управлению ресурсами.