Новые тенденции в области возобновляемых кормов для процессов переработки

Сдвиг ландшафта переработки: объявляя возобновляемые запасы

Глобальная нефтеперерабатывающая промышленность, давно привязанная к сырой нефти, претерпевает фундаментальную трансформацию. Поскольку правительства ужесточают правила выбросов и потребители требуют низкоуглеродных продуктов, нефтеперерабатывающие заводы все чаще обращаются к возобновляемым источникам сырья в качестве жизнеспособного дополнения - и в некоторых случаях альтернативы - к исходным материалам, полученным из ископаемых источников. Эти сырьевые материалы, взятые из биологических источников и потоков отходов, предлагают путь к декарбонизации транспортных топлив, химических веществ и материалов, не требуя полного пересмотра существующей инфраструктуры. Инерция этого сдвига обусловлена сочетанием факторов: политические стимулы, такие как Директива Европейского союза по возобновляемым источникам энергии и Стандарт на возобновляемое топливо США, технологические прорывы в катализе и биотехнологии, и растущее признание того, что энергетический переход должен распространяться за пределы производства электроэнергии в труднодоступные сектора, такие как тяжелый транспорт и промышленность.

В этой статье рассматриваются наиболее значимые новые тенденции в области возобновляемых источников сырья для процессов переработки, инновации, которые делают их коммерчески жизнеспособными, и проблемы, которые остаются до того, как они могут достичь широкого распространения. Понимание этих событий имеет решающее значение для заинтересованных сторон отрасли, инвесторов и политиков, стремящихся ориентироваться на сложный путь к более устойчивому сектору переработки.

Понимание возобновляемых запасов: виды и характеристики

Возобновляемые виды сырья включают в себя широкий спектр органических материалов, которые могут быть преобразованы в топливо, химикаты и энергию посредством различных процессов переработки.

Биомасса и сельскохозяйственные остатки

Лигноцеллюлозная биомасса, такая как кукурузный покров, пшеничная солома, остатки лесного хозяйства и специализированные энергетические культуры, такие как муфта и мискантус, обильна и относительно недорога. Эти материалы состоят в основном из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, которые могут быть разбиты на сахара и ароматические соединения посредством термохимического или биохимического преобразования. Однако их высокое содержание кислорода и структурная сложность требуют продвинутой предварительной обработки и каталитической модернизации.

Водоросли и водная биомасса

Микроводоросли и макроводоросли (морские водоросли) привлекли внимание благодаря высоким урожаям липидов на акр и быстрым темпам роста. Водоросли могут производить масла, пригодные для гидроочистки в возобновляемое дизельное топливо и устойчивое авиационное топливо (SAF), в то время как остаточная биомасса может быть преобразована в биогаз или биоуголь. Проекты по выращиванию и сбору водорослей в коммерческих масштабах остаются ограниченными из-за затрат на культивирование и сбор урожая, но продолжающиеся исследования в области сортировки и проектирования фотобиореакторов продолжают улучшать экономическую жизнеспособность.

Отходы масла и жиры

Используемое растительное масло (УКО), животные жиры и высокое масло (побочный продукт целлюлозы) уже широко используются в качестве сырья для гидрообработанных эфиров и жирных кислот (ВЭФА) для производства возобновляемого дизельного топлива и САФ. Эти отходы имеют низкую интенсивность углерода, поскольку они не требуют специального землепользования или дополнительных сельскохозяйственных затрат. Однако предложение ограничено, что приводит к конкуренции между производителями топлива и повышательному давлению на цены.

Муниципальные твердые отходы и биогенные остатки

Органические фракции твердых бытовых отходов, включая пищевые отходы, садовые отходы и осадки сточных вод, представляют собой большой неиспользованный ресурс. Передовые технологии газификации и пиролиза могут превращать эти материалы в синтез-газ (сингаз) и биомассу, которые затем могут быть модернизированы в топливо и химикаты. Этот подход одновременно касается управления отходами и производства энергии, согласуясь с принципами круговой экономики.

Зеленый водород и Power-to-X

Хотя он не является исходным материалом на основе углерода, зеленый водород, получаемый путем электролиза с использованием возобновляемой электроэнергии, становится критически важным фактором для переработки. Его можно использовать для удаления серы из биомасла, для снижения интенсивности углерода в существующих установках гидроочистки и в качестве строительного блока для синтетических видов топлива (электронного топлива) в сочетании с улавливаемым CO2. Стоимость зеленого водорода быстро падает, что делает его ключевым фактором для декарбонизации операций НПЗ.

Согласно данным Международного энергетического агентства (МЭА) (FLT: 1), к 2030 году ожидается утроение мирового потребления возобновляемого сырья на нефтеперерабатывающих заводах, что обусловлено в первую очередь мандатами на передовое биотопливо и SAF.

Ключевые тенденции, ведущие к переходу на возобновляемые запасы

Несколько взаимосвязанных тенденций ускоряют интеграцию возобновляемых источников сырья в традиционные и специализированные процессы переработки, которые отражают как рыночные силы, так и технологические достижения.

Био-основы: от первого поколения к передовым источникам

Биотопливо первого поколения, изготовленное из продовольственных культур, таких как кукуруза и сахарный тростник, подверглось критике за конкуренцию с производством продуктов питания и косвенное изменение землепользования. В результате отрасль поворачивается к вторичному поколению (лигноцеллюлозному) и третьему поколению (алгальное) сырье, которое не конкурирует с поставками продовольствия. Передовые мандаты на биотопливо, такие как требования целлюлозного биотоплива EPA США и авиационное регулирование ReFuelEU Европейского союза, специально нацелены на эти виды сырья. Такие компании, как Gevo, LanzaTech и Velocys, коммерциализируют пути, которые используют сельскохозяйственные остатки и муниципальные отходы для производства капельного топлива, которое химически идентично их ископаемым аналогам.

В то же время, развитие технологий предварительной обработки биомассы, таких как паровой взрыв, кислотный гидролиз и растворение ионной жидкости, повышает эффективность высвобождения сахара из лигноцеллюлозы, обеспечивая более высокие урожаи и более низкие затраты. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) [FLT: 1]] была на переднем крае характеристики изменчивости исходного сырья и разработки моделей преобразования, которые помогают оптимизировать экономику процессов.

Водоросли как масштабируемый ресурс: прогресс и оставшиеся препятствия

Водоросли уже давно считаются перспективным сырьем из-за их высокого содержания нефти (до 60% сухого веса в некоторых штаммах) и способности расти в непереносимых землях и солоноватой воде. Недавние достижения включают разработку генетически модифицированных штаммов, которые накапливают больше липидов и переносят более высокие концентрации CO2, а также улучшенные методы сбора, такие как флоккуляция и центрифугирование, которые снижают потребление энергии. Кроме того, компании принимают модель биоперерабатывающего завода «целых водорослей», где богатый белком остаток продается в качестве корма для животных, улучшая общую экономику.

Тем не менее, стоимость производства биомассы водорослей остается барьером. Текущие оценки ставят стоимость в $300-$400 за сухую тонну по сравнению с $30-$80 за кукурузный ставер. Исследовательские инициативы, такие как Программа по биомассе водорослей Министерства энергетики США, установили амбициозные целевые показатели затрат в $85 за сухую тонну к 2030 году, что сделает запасы водорослей конкурентоспособными с отработанными маслами для многих применений.

Технологии переработки отходов в ценности: превращение мусора в сокровища

Концепция преобразования отходов в ценное сырье набирает обороты по мере развития передовых технологий сортировки и предварительной обработки. Анаэробное переваривание пищевых отходов производит биогаз (метан), который может быть модернизирован до возобновляемого природного газа (РНГ) или преобразован в водород. Газификация может превратить смешанные потоки отходов в сингаз, который затем может быть преобразован в метанол, этанол или синтетические углеводороды через синтез Фишера-Тропша. Такие компании, как Fulcrum BioEnergy и Enerkem, эксплуатируют коммерческие заводы, которые производят SAF и метанол из твердых бытовых отходов, соответственно.

Одной из новых тенденций является совместная переработка биомасла, полученного из отходов, на существующих нефтеперерабатывающих заводах. При подаче небольшого процента (обычно 5-20%) сырья на основе биосырца или липидов в жидкий каталитический крекер (FCC) или гидроочиститель нефтеперерабатывающие заводы могут производить частично возобновляемый продукт без крупных капиталовложений. Этот подход предлагает точку входа с низким риском для интеграции возобновляемых источников энергии и был принят такими фирмами, как Repsol, Neste и Valero.

Зеленый водород и электрификация процессов нефтеперерабатывающих заводов

Производство зеленого водорода является краеугольным камнем многих стратегий декарбонизации НПЗ. Традиционно НПЗ используют водород из парового метанового реформирования (SMR) природного газа, который выделяет CO2. Замена этого электролитным водородом из возобновляемых источников может сократить углеродный след операций гидрообработки на 50-90% в зависимости от источника электроэнергии. Зеленый водород также необходим для второго этапа производства электронного топлива: его объединение с захваченным CO2 для образования синтез-газа для добычи углеводородов.

Такие проекты, как Коалиция по продвижению водорода в США и Европейский альянс по производству чистого водорода, способствуют расширению производственных мощностей электролизеров, стремясь сократить установленные затраты с ~ 1000 долларов США / кВт сегодня до менее 500 долларов США / кВт к 2030 году. По мере роста производства возобновляемой электроэнергии ожидается, что зеленый водород станет конкурентоспособным по стоимости с серым водородом в течение этого десятилетия, что будет иметь значительные последствия для экономики НПЗ.

Инновации в технологиях переработки возобновляемых кормовых запасов

Успешное использование возобновляемых видов сырья зависит не только от самих сырьевых материалов, но и от технологий, которые превращают их в готовые к рынку продукты. Последние инновации охватывают как специализированные биоперерабатывающие заводы, так и комплексные решения по совместной переработке в рамках существующих нефтеперерабатывающих заводов.

БиоНПЗ: интегрированные платформы для извлечения максимальной стоимости

Современный биоперерабатывающий завод аналогичен нефтеперерабатывающему заводу: он фракционирует биомассу в несколько потоков продуктов, максимизируя экономическую отдачу. Например, модель биоперерабатывающего завода «лигнин-первый» изолирует лигнин высокой чистоты (полимер, который может быть преобразован в биопластики, клеи и углеродное волокно) при использовании углеводной фракции для ферментации в этанол или бутанол. Министерство энергетики США (DOE) [FLT: 1]] профинансировало несколько экспериментальных интегрированных биоперерабатывающих заводов, которые демонстрируют возможность производства целлюлозного этанола, возобновляемого дизельного топлива и химических веществ на основе биоматериалов из одного сырья.

Достижения в области ферментных коктейлей, разработанные такими компаниями, как Novozymes и DuPont, улучшили эффективность сахаризации лигноцеллюлозной биомассы, сократив затраты на загрузку ферментов более чем на 50% за последнее десятилетие. Между тем, консолидированная биопереработка (CBP) сочетает в себе производство ферментов, гидролиз и ферментацию в одном организме, концепция, которая преследуется в академических и стартап-лабораториях для дальнейшего снижения капитальных и эксплуатационных расходов.

Каталитическая модернизация: приведение биомасла в топливо

Сырая биомасла, полученная в результате быстрого пиролиза, содержит высокие уровни кислорода (до 40%), что делает ее коррозионной, термически неустойчивой и несмешиваемой с нефтяными фракциями. Каталитическая модернизация - посредством гидродезоксигенации (HDO), растрескивания и этерификации - необходима для удаления кислорода и корректировки длины углеродной цепи. Недавний прогресс включает разработку биметаллических и металлических фосфидных катализаторов, которые достигают более высокой селективности и более длительного срока службы, чем традиционные сульфидные катализаторы NiMo или CoMo. Исследователи Аргоннской национальной лаборатории продемонстрировали катализаторы, которые могут модернизировать биомасла до углеводородов реактивного диапазона за один шаг, уменьшая сложность процесса.

Еще одним перспективным подходом является использование цеолитных катализаторов в жидкостных установках каталитического крекинга (FCC) для совместной переработки биомасла с вакуумным газойлем. Оптимизация состава катализатора и условий эксплуатации позволяет нефтеперерабатывающим предприятиям поддерживать высокие выходы бензина и пропилена при включении возобновляемого углерода. Такие компании, как Johnson Matthey и Haldor Topsoe, коммерциализируют собственные катализаторы для этого применения.

Усиления гидролечения и стратегии совместного производства

Гидроочистка — процесс удаления серы, азота и кислорода из углеводородных потоков с использованием водорода — является рабочей лошадкой на нефтеперерабатывающих заводах. При переработке возобновляемых исходных материалов, таких как растительные масла и животные жиры, процесс HEFA (гидрообработанные эфиры и жирные кислоты) стал доминирующей технологией для производства возобновляемого дизельного топлива. Недавние улучшения включают использование двухступенчатых реакторов для отделения гидродезоксигенации от изомеризации, что позволяет нефтеперерабатывающим предприятиям регулировать свойства холодного потока продукта для дизельного топлива зимнего класса. Такие компании, как Neste и Diamond Green Diesel, достигли выходов более 90% (по весу) от отработанных масел.

Соображение в существующих гидроочистителях - слияние до 20% возобновляемого сырья с нефтяным газойлем - предлагает путь с низким капиталом для производства частично возобновляемого дизельного топлива. Несколько нефтеперерабатывающих заводов сообщили об отсутствии серьезных эксплуатационных проблем при использовании смесей гидродезоксигената UCO или пальмового масла. Однако сырье должно быть тщательно предварительно обработано для удаления свободных жирных кислот, металлов и фосфора, которые могут отравлять катализаторы. Технологии предварительной обработки, такие как фильтрация отбеливателями земли и реакторы на защитном слое, совершенствуются для решения этих проблем.

Ферментация и пути на основе синхронного газа

Биохимические пути преобразования, включая ферментацию сахаров в этанол, были коммерческими с начала 2000-х годов. Однако новые пути позволяют производить углеводороды с более длинной цепью. Например, такие компании, как LanzaTech, используют газовую ферментацию для преобразования синхронного газа (из газифицированных отходов или биомассы) в этанол, 2,3-бутандиол и даже изопропанол. Затем этанол может быть обезвожен до этилена и олигомеризован в реактивное и дизельное топливо. Аналогичным образом, процесс «алкоголь-струйный» (ATJ), разработанный Gevo и Honeywell UOP, превращает изобутанол или этанол в синтетический парафиновый керосин (SPK), который соответствует сертификации ASTM D7566 для использования SAF до 50% в обычном реактивном топливе.

Также масштабируются термохимические пути, такие как синтез Фишера-Тропша (FT). Сочетание газификации биомассы с катализаторами FT производит синтетическую сырую нефть, которая может быть дополнительно гидрообработана. Проблема заключается в экономии масштаба: заводы FT обычно требуют больших капитальных затрат и последовательного предложения сырья, чтобы быть экономически жизнеспособными. Модульные конструкции, такие как разработанные Velocys и Sasol, направлены на снижение затрат и риска путем развертывания небольших блоков, которые могут быть агрегированы.

Преодоление проблем: стоимость, масштабируемость и поддержка политики

Несмотря на быстрый прогресс, широкое внедрение возобновляемых источников сырья в нефтепереработку сталкивается с рядом серьезных препятствий, которые необходимо устранить путем продолжения исследований, инвестиций и политических действий.

Стоимость сырья и волатильность поставок

Стоимость возобновляемых видов сырья остается основным барьером. Отходы масел и жиров уже оцениваются по цене премиум-класса из-за высокого спроса, часто торгуются выше нефтяного дизельного топлива на основе энергетического эквивалента. Сельскохозяйственные остатки дешевле, но требуют дорогостоящего сбора, уплотнения и транспортировки. Водоросли и целлюлозная биомасса еще не достигли ценовых точек, необходимых для крупномасштабного развертывания. Логистика цепочки поставок - особенно сезонность остатков сельскохозяйственных культур и географическая дисперсия - добавляет дополнительную сложность. Разработка региональных моделей хабов, где несколько источников сырья агрегируются и предварительно обрабатываются в центральном месте, может помочь стабилизировать предложение и снизить затраты.

Технологическая масштабируемость и интеграция процессов

Многие технологии преобразования, которые хорошо работают в пилотном масштабе, сталкиваются с проблемами при масштабировании в 100 раз. Ограничения на передачу тепла и массы, дезактивация катализатора из-за примесей и загрязнение оборудования являются общими проблемами. Например, газификаторы, которые обрабатывают неоднородное сырье, такое как твердые коммунальные отходы, часто испытывают зашлакованность и образование смол. Интегрированные биоперерабатывающие заводы сталкиваются с дополнительной сложностью балансировки урожайности продуктов на нескольких этапах процесса. Сотрудничество между научными кругами, национальными лабораториями и промышленностью имеет важное значение для масштабирования риска. Инициативы, такие как Управление биоэнергетических технологий Министерства энергетики (BETO), финансируют проекты демонстрационного масштаба для проверки техно-экономических моделей.

Неопределенность регулирования и политики

Политические рамки имеют решающее значение для создания стабильных рынков для возобновляемых продуктов нефтеперерабатывающих заводов. В то время как ЕС RED II и RFS США предоставили долгосрочные сигналы спроса, частые модификации и политические дебаты создают неопределенность для инвесторов. Критерии устойчивости для сырья (например, изменение землепользования, воздействие на биоразнообразие) также становятся более строгими, потенциально ограничивая использование определенных источников, таких как пальмовое масло. Механизмы ценообразования на углерод, стандарты на низкоуглеродное топливо (например, Калифорнийский LCFS) и большие проблемы, такие как путь 1,5 ° C, все формируют политический ландшафт. Отраслевые группы выступают за нейтральную политику в области технологий, которая поощряет все формы сокращения выбросов углерода, включая совместную обработку и электрификацию.

Будущее и стратегические последствия

Траектория использования возобновляемых источников сырья в переработке безошибочно повышается. Аналитики BloombergNEF прогнозируют, что к 2030 году мощность возобновляемых дизельных двигателей в мире может достичь 70 млрд литров в год, по сравнению с примерно 15 млрд литров в 2023 году, в то время как спрос на SAF, как ожидается, будет расти еще быстрее из-за корпоративных соглашений об отводе и правительственных мандатов. Этот рост будет поддерживаться снижением затрат на зеленый водород и передовые катализаторы, улучшенные технологии биохимической конверсии и зрелая цепочка поставок отходов и остатков сырья.

Например, нефтеперерабатывающий завод, который может совместно перерабатывать 10% отработанного масла сегодня, сохраняя при этом возможность масштабирования до 30% по мере появления зеленого водорода, будет иметь явное конкурентное преимущество. Стратегические партнерства с поставщиками сырья, технологическими лицензиарами и ауттакерами (особенно авиакомпаниями) становятся необходимыми для обеспечения соглашений о капитале и оттоке.

Кроме того, нельзя упускать из виду аспект круговорота: по мере того, как возобновляемые источники сырья становятся все более распространенными, нефтеперерабатывающая промышленность будет все больше зависеть от передовых технологий переработки и улавливания углерода, чтобы закрыть углеродную петлю. Использование улавливаемого CO2 для производства синтетического метана или метанола - через энергию в газ или энергию в жидкости - может в конечном итоге сделать нефтеперерабатывающие заводы чистыми экспортерами низкоуглеродного топлива.

В заключение, переход к возобновляемым источникам сырья является не маргинальной тенденцией, а основным стратегическим поворотом для мировой нефтеперерабатывающей промышленности. Хотя проблемы, связанные с затратами, масштабируемостью и согласованностью политики, сближение технологических инноваций, нормативного давления и рыночного спроса создают убедительные основания для ускоренного принятия. Компании, правительства и исследовательские институты, которые решительно взаимодействуют с этими новыми тенденциями сегодня, станут архитекторами низкоуглеродных НПЗ завтрашнего дня.